用于产生STUD脉冲的光纤环时间透镜系统

摘要

一种用于产生STUD脉冲的光纤环时间透镜系统，采用单模连续光激光器作为光源，特点在于还包括第一光电开关，任意波发生器、第二光电开光、掺镱光纤放大器、带通滤波器、第三光电开关、相位调制器和光栅对；本发明系统结构简洁，不仅可以直接由一个光电开关产生脉宽较短的高重频超高斯脉冲，而且可以将经过光纤环的光脉冲的光谱进行展宽，还可以通过光栅对将光谱展宽后的激光脉冲进行压缩，产生带有陡峭上升沿或下降沿的超短激光超高斯脉冲(STUD脉冲)，且光谱的宽度、脉冲的宽度和脉冲上升沿都任意可调。STUD脉冲可被用于抑制激光驱动惯性约束核聚变过程中参量不稳定性，具有技术新颖、结构简洁(全光纤)等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲，特别是一种用于产生STUD脉冲的光纤环时间透镜系统，该系统可高效率地输出可调节、高重复频率的STUD脉冲和超短脉冲激光。

背景技术

目前，参量不稳定性(受激拉曼散射，受激布里渊散射，成丝等)是最终限制激光驱动惯性约束核聚变的主要原因之一。为了抑制参量不稳定性，各国科学家相继提出了光谱色散匀滑、偏振匀滑、连续相位板等一系列光束匀滑方法。它们通过均匀光束的空间能量分布，让光束焦斑在靶面快速移动，有效地避免了亮斑成丝，抑制了参量不稳定性。但是由于与内环激光作用的等离子体密度更高，激光产生的参量不稳定性更强，仅采用光束匀滑方法是不够的。

经过对现有技术的检索发现，在2007年6月1日第32卷第11期的光学学报(Optics Letters)上有一篇名为“Generation of 3.5nJ femtosecond pulses from a continuous-wave laser without mode locking”(不用锁模方法采用连续激光产生3.5nJ飞秒脉冲)的论文，介绍了一种基于直接相位调制和光栅压缩技术产生高重频飞秒脉冲的方法。但是该文章没有提出产生带有陡峭上升沿的超短超高斯脉冲(以下简称为STUD脉冲)的方法。

STUD脉冲可以有效的抑制激光等离子体相互作用过程中的受激拉曼散射和受激布里渊散射等参量不稳定性的积累。无论调Q还是锁模技术都很难获得理想的STUD脉冲。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种用于产生STUD脉冲的光纤环时间透镜系统，该系统不仅可以直接由一个光电开关产生脉宽较短的高重频超高斯脉冲，而且可以将经过光纤环的光脉冲的光谱进行展宽，还可以通过光栅对将光谱展宽后的激光脉冲进行压缩，产生带有陡峭上升沿或下降沿的超短激光超高斯脉冲(STUD脉冲)，且光谱的宽度、脉冲的宽度和脉冲上升沿都任意可调。STUD脉冲可被用于抑制激光驱动惯性约束核聚变过程中参量不稳定性，具有技术新颖、结构简洁(全光纤)等特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于产生STUD脉冲的光纤环时间透镜系统，采用单模连续光激光器作为光源，特征在于还包括第一光电开关，任意波发生器、第二光电开光、掺镱光纤放大器、带通滤波器、第三光电开关、相位调制器和光栅对；

沿所述的单模连续光激光器输出的脉冲光方向依次是所述的第一光电开关、第二光电开关，所述的第二光电开关、掺镱光纤放大器、带通滤波器、第三光电开关和相位调制器依次相连构成光纤环，在所述的第三光电开关的第二输出方向是所述的光栅对；

所述的任意波发生器的输出端分别与所述的第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关和相位调制器的控制端相连，为其工作提供驱动信号，并通过输出不同的信号，控制各器件的工作状态。

所述的单模连续光激光器的频谱带宽小于100KHz，输出最大功率为<100mw。

所述的掺镱光纤放大器为可调谐放大器，放大范围为0～25dB，最大输出功率为5W。

所述的带通滤波器的中心波长为1053nm，峰值反射率大于99％，3dB带宽为12nm，边带抑制率大于10dB。

所述的相位调制器的适用波段为1053nm，半波电压2.7V，3dB带宽大于10GHz，输入输出保偏。

所述的光栅对的两片光栅的结构参数一致且平行放置。

本发明系统包括三部分。

第一部分，利用第一光电开关的斩波性能，通过第一光电开关对单纵模连续激光进行斩波，实现高重频超高斯脉冲的输出。第一光电开关还可以调制出任意形状的光脉冲包络。

第二部分创新性地采用光纤环的时间透镜技术，通过对耦合进光纤环的超高斯脉冲光循环的使用光纤放大器进行能量补偿、带通滤波器进行过滤中心波长1053nm以外的激光和相位调制器进行合适的相位调制。经过N圈调制后，脉冲光的光谱得到足够的展宽，脉冲光变为啁啾脉冲光，然后通过控制第三光电开关将超高斯脉冲耦合出光纤环。

第三部分，创造性地采用光栅对压缩输出脉冲，进而产生带有陡峭上升沿或下降沿的高重频超短超高斯脉冲(STUD脉冲)。

脉冲的形状是通过任意波形发生器产生，经过第一光电开关斩波形成，所以光脉冲的形状与重复频率是可控的。

通过光纤环中的相位调制器给输入的光脉冲加上相位调制函数，将输入脉冲变为啁啾脉冲。通过控制光脉冲在光纤环中循环的次数，控制脉冲啁啾的大小和脉冲光谱的宽度。然后再通过光栅对提供相反的啁啾进行压缩，实现脉冲上升沿或下降沿、脉冲宽度的控制。由于相位调制函数是可控的，因此脉冲的上述特性可控。

所述的第二光电开关将经第一光电开关斩波输出的脉冲光耦合进光纤环，沿掺镱光纤放大器、带通滤波器、第三光电开关和相位调制器循环N圈，脉冲光的光谱获得足够的展宽后，通过第三光电开关耦合经所述的光栅对压缩后输出超短超高斯脉冲。

可以采用任何合成方式，如马赫－曾特干涉仪、迈克尔逊干涉仪、法布里－泊罗腔等。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

利用本发明系统可以产生STUD脉冲，并且其脉冲上升沿或下降沿、脉冲宽度、重复频率、脉冲形状任意可控。

附图说明

图1是本发明用于产生STUD脉冲的光纤环时间透镜系统的实施例1的光路示意图。

图2是脉冲光谱展宽示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明用于产生STUD脉冲的光纤环时间透镜系统的实施例1的光路示意图。由图可见，本发明用于产生STUD脉冲的光纤环时间透镜系统，采用单模连续光激光器1作为光源，其构成还包括沿单模连续光激光器1输出的脉冲光方向设置的第一光电开关2后，通过第二光电开关4耦合进由掺镱光纤放大器5、带通滤波器6、第三光电开关7和相位调制器8构成的光纤环，循环后的激光脉冲再通过第三光电开关7耦合出光纤环，然后打在光栅对9上；

所述的第二光电开关将输出的脉冲光耦合进光纤环，沿掺镱光纤放大器5、滤波器6、第三光电开关7和相位调制器8循环N圈(N为1以上的整数)，脉冲光的光谱获得足够的展宽后，通过第三光电开关7耦合出光纤环；

任意波发生器3的输出端分别与所述的第一光电开关2、第二光电开关4、第三光电开关7和相位调制器8相连。

单模连续光激光器1的频谱带宽小于10KHz，输出最大功率为100mw。

掺镱光纤放大器5为可调谐放大器，放大范围为0～25dB，最大输出功率为5W。

所述的带通滤波器6的中心波长为1053nm，峰值反射率大于99％，3dB带宽为12nm，边带抑制率大于10dB。

相位调制器8的适用波段为1053nm，半波电压2.7V，3dB带宽大于10GHz，输入输出保偏。

单模连续光光纤激光器1和第一光电开关2连接。单模连续光激光器产生的连续激光经过第一光电开关2斩波就可以得到纳秒级的超高斯脉冲。该超高斯脉冲经过第二光电开关4被耦合进由掺镱光纤放大器5、带通滤波器6、第三光电开关7和相位调制器8组成的光纤环，经过N>1圈循环后，脉冲光的光谱得到足够的展宽，通过第三光电开关7耦合出光纤环得到啁啾脉冲光。最后获得足够能量的输出光通过光栅对9去啁啾，可以将上升沿或下降沿为300ps，脉宽为2ns的超高斯脉冲压缩到上升沿或下降沿为4.7ps，脉宽为20ps的陡峭的超短超高斯脉冲。

其中：第一光电开关2接受由任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator，简称为AWG)3产生的超高斯信号；光纤环中的相位调制器接受由AWG产生的相位相反的高频信号。

所述的单模连续光激光器，频谱带宽小于100KHz，输出最大功率为100mw。

所述的光电开光的插入损耗＜3dB，开关速度＜100ps，半波电压为2.7V，最高工作频率为10GHz。

所述的掺镱光纤放大器，为可调谐放大器，放大范围为0～25dB，最大输出功率为5W。

所述的带通滤波器6的中心波长为1053nm，峰值反射率大于99％，3dB带宽为12nm，边带抑制率大于10dB。

所述的相位调制器8，适用波段为1053nm，半波电压2.7V，3dB带宽大于10GHz，输入输出保偏。

所述的AWG采样率为12GS/s，带宽为10GHz，2路独立模拟输出，4路独立数字输出。

本系统产生的STUD脉冲，在激光惯性约束核聚变中抑制参量不稳定性起着巨大作用。