一种抑制高功率激光装置中幅频效应的方法

文档序号:104649 发布日期:2021-10-15 浏览:25次 >En<

阅读说明:本技术 一种抑制高功率激光装置中幅频效应的方法 (Method for inhibiting amplitude frequency effect in high-power laser device ) 是由 宗兆玉 赵军普 李森 梁樾 熊迁 龙蛟 薛峤 吴振海 张君 冯斌 彭志涛 胡东 于 2021-07-21 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种抑制高功率激光装置中幅频效应的方法,属于激光设备技术领域,根据目标激光脉冲时间波形,反演得到初次的整形激光脉冲波形,在激光输出分束端获得初次的输出激光脉冲时间波形,对比初次的输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形,得到时间波形差异与二次的整形激光脉冲波形,在激光输出分束端获得二次的输出激光脉冲时间波形,重复直至输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形的差异小于设定值,激光装置中幅频效应被抑制,本发明简单便捷,能够有效抑制幅频效应,提高时域光束质量。(The invention relates to a method for inhibiting amplitude frequency effect in a high-power laser device, which belongs to the technical field of laser equipment, and is characterized in that a primary shaped laser pulse waveform is obtained by inversion according to a target laser pulse time waveform, a primary output laser pulse time waveform is obtained at a laser output beam splitting end, the primary output laser pulse time waveform and the target laser pulse time waveform are compared to obtain a time waveform difference and a secondary shaped laser pulse waveform, a secondary output laser pulse time waveform is obtained at the laser output beam splitting end, and the operation is repeated until the difference between the output laser pulse time waveform and the target laser pulse time waveform is smaller than a set value, so that the amplitude frequency effect in the laser device is inhibited.)

一种抑制高功率激光装置中幅频效应的方法

技术领域

本发明属于激光设备技术领域,具体地说涉及一种抑制高功率激光装置中幅频效应的方法。

背景技术

在高功率激光装置中,为了抑制窄带宽工作体制下大口径熔石英光学元件产生的横向受激布里渊散射效应(TSBS),需要在激光注入系统采用波导相位调制技术,将单纵模激光能量重新分配到模间距超过TSBS带宽的多个模式上,使每个模式的峰值功率都低于TSBS阈值。具有梳状光谱形貌的相位调制激光脉冲在传输放大和谐波频率转换过程中,由于光学元器件频谱透过率不均匀等引起的光谱成分幅度失衡将使输出激光脉冲的顶部出现起伏,从而引起幅频效应。幅频效应严重影响高功率激光装置输出激光脉冲的时间波形、功率平衡等性能,其引起的瞬时功率变化将增加激光装置光学元件损伤的风险,放大参量不稳定性影响精密物理实验的效果。因此,高功率激光装置中的幅频效应需要得到抑制。

目前,常用的幅频效应抑制方法基本上都是从频域补偿出发,核心思想是尽量复原原始光谱。例如采用负色散补偿单元抑制由群速度色散引起的幅频效应,采用双折射晶体干涉滤波(Applied optics 2019,58(5):1261-1270)、F-P腔干涉滤波(Fusion scienceand technology 2017,69(1):25-145.)、类利奥滤波器偏振光干涉(Optics letters2011,36(17):3494-3496,Journal of Optics 2013,15(8):085702)等方法形成不同周期、不同深度和不同中心波长的逆光谱透过率曲线预补偿后级光路产生的幅频效应。由抑制原理来说,上述幅频效应补偿方法只能针对一定的光谱透过率曲线进行补偿,无法抑制变化的幅频效应。由于实际光谱透过率曲线复杂,并不是简单的正弦曲线,同时由于激光装置光机热等环境因素的影响,实际光谱透过率曲线经常发生变化,上述幅频效应抑制方法抑制能力有限,很难将幅频效应抑制到5%以下。同时,上述幅频效应抑制方法都需要在光路上添加精密、昂贵的光学元器件,成本较高。

发明内容

针对现有技术的种种不足,发明人采用多种幅频效应抑制方法后发现:直接从时间域出发,建立激光脉冲时间波形反馈迭代系统,利用高频时域整形能力抑制激光脉冲时间波形低频幅频调制,能够有效抑制幅频效应,提高时域光束质量。

为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:

一种抑制高功率激光装置中幅频效应的方法,包括以下步骤:

步骤S100、根据目标激光脉冲时间波形,反演得到初次的整形激光脉冲波形并注入激光装置,在激光输出分束端获得初次的输出激光脉冲时间波形;

步骤S200、对比初次的输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形,得到时间波形差异,当时间波形差异小于设定值时,幅频效应满足设定要求,结束反馈,反之,根据时间波形差异得到二次的整形激光脉冲波形并注入激光装置,在激光输出分束端获得二次的输出激光脉冲时间波形;

步骤S300、重复步骤S200,直至输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形的差异小于设定值,激光装置中幅频效应被抑制。

进一步,步骤S100中,设定目标激光脉冲时间波形,根据激光装置的电-光响应特性反演计算初次的整形电脉冲波形,将初次的整形电脉冲波形加载到幅度调制器上,经电光转换产生初次的整形激光脉冲波形,初次的整形激光脉冲经传输放大链路到达激光输出分束端。

进一步,通过电脉冲产生器将初次的整形电脉冲波形加载到幅度调制器上。

进一步,所述电脉冲产生器的最小调制周期小于幅频调制周期,即时域整形精度小于幅频调制周期,所述幅频调制周期指输入激光脉冲经相位调制后在传输放大链路中传输放大时,由于光谱透过率不均匀导致光谱结构被破坏,在输出激光脉冲波形顶部出现起伏的周期。

进一步,所述电脉冲产生器具备补偿幅频调制最小值和幅频调制最大值之间幅频差值的能力。

优选的,所述电脉冲产生器为任意波形发生器。

进一步,所述激光输出分束端位于激光装置的后端。

优选的,考虑到激光装置预放大系统的重频机制,激光输出分束端位于预放大系统的输出分束处。

进一步,输出激光脉冲时间波形经光电管采集、显示在示波器上并被传递到反馈控制模块。

进一步,所述光电管的工作带宽大于幅频调制周期。

进一步,步骤S200中,反馈控制模块逐点对比初次的输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形得到时间波形差异,由时间波形差异反馈指导产生二次的整形电脉冲波形,通过电脉冲产生器将二次的整形电脉冲波形加载到幅度调制器上,经光电转换产生二次的整形激光脉冲波形。

进一步,将输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形按时域对齐后,按照时间点逐一对比差异,对于特定时间点位,当输出激光脉冲时间波形幅值大于目标激光脉冲时间波形幅值时,提高该时间点位的电脉冲波形幅值,反之,降低该时间点位的电脉冲波形幅值。

进一步,所述电脉冲波形幅值的提高和降低均以前一次获得的整形电脉冲波形为基础。

本发明的有益效果是:

1、无需解析激光装置的光谱透过率函数,从时间域出发,利用高频时域整形能力抑制激光脉冲时间波形低频幅频调制,简单便捷,能够有效抑制幅频效应,提高时域光束质量。

2、通过电脉冲产生器、幅度调制器、光电管、示波器和反馈控制模块,在激光脉冲整形端和预放大系统输出端建立反馈迭代系统,利用重频激光实时反馈并实时调节,能够高效、快速地抑制幅频效应。

3、无需添加额外光机器件,利用激光装置现有参数测量配置,即可完成幅频效应抑制,成本低,经济效益高。

4、考虑到激光装置预放大系统的重频机制,激光输出分束端位于预放大系统的输出分束处。

5、利用高频时域整形能力抑制激光脉冲时间波形低频幅频调制,同时,不会对激光脉冲的光谱分布造成较大的改变。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图;

图2(a)是数值模拟得到的不同形态下的时间波形示意图;

图2(b)是与图2(a)相应的光谱分布示意图;

图3(a)是实验测量得到的不同形态下的时间波形示意图;

图3(b)是与图3(a)相应的光谱分布示意图;

图4(a)是幅频效应抑制前后,激光脉冲时间波形对比图;

图4(b)是幅频效应抑制前后,任意波形发生器发出的电脉冲波形对比图;

图5(a)是幅频效应抑制后,正式发射中采集预放大系统的激光脉冲时间波形示意图;

图5(b)是幅频效应抑制后,正式发射中采集主放大系统的激光脉冲时间波形示意图;

图5(c)是幅频效应抑制后,正式发射中采集终端光学系统的激光脉冲时间波形示意图。

附图中:1-幅度调制器、2-传输放大链路、3-激光输出分束端、4-电脉冲产生器、5-光电管、6-示波器、7-反馈控制模块。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合本发明的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例,都应当属于本申请保护的范围。此外,以下实施例中提到的方向用词,例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向,因此,使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一:

如图1所示,高功率激光装置沿着激光信号传输方向依次设置有幅度调制器1、传输放大链路2和激光输出分束端3,所述激光输出分束端3位于激光装置的后端。考虑到激光装置预放大系统的重频机制,激光输出分束端3位于预放大系统的输出分束处。

一种抑制高功率激光装置中幅频效应的方法,包括以下步骤:

步骤S100、根据目标激光脉冲时间波形,反演得到初次的整形激光脉冲波形并注入激光装置,在激光输出分束端3获得初次的输出激光脉冲时间波形。

具体的,设定目标激光脉冲时间波形,根据激光装置的电-光响应特性反演计算初次的整形电脉冲波形,通过电脉冲产生器4将初次的整形电脉冲波形加载到幅度调制器1上,经电光转换产生初次的整形激光脉冲波形,初次的整形激光脉冲经传输放大链路2到达激光输出分束端3。

设定目标激光脉冲时间波形T,其最大值、最小值分别为Tmax、Tmin,根据激光装置的电-光响应关系曲线,在激光脉冲波形最大值Tmax的位置生成电脉冲Emax,最小值的位置生成电脉冲Emin。同样的,对于目标激光脉冲时间波形不同位置处的不同幅值,根据电-光响应关系曲线,采用数据映射,生成不同的电脉冲幅值,即为初次的整形电脉冲波形。

所述电脉冲产生器4的最小调制周期小于幅频调制周期,即时域整形精度小于幅频调制周期,所述幅频调制周期指输入激光脉冲经相位调制后在传输放大链路2中传输放大时,由于光谱透过率不均匀导致光谱结构被破坏,在输出激光脉冲波形顶部出现起伏的周期,所述时域整形精度是指对输入激光脉冲进行时域幅度调制的最小调制周期,由电脉冲产生器4的最小调制周期(精度)决定。同时,所述电脉冲产生器4具备补偿幅频调制最小值和幅频调制最大值之间幅频差值的能力,也就是说,所述电脉冲产生器4应具备足够高的垂直分辨率,用于补偿、抑制激光脉冲时间波形上的低频幅频调制。优选的,所述电脉冲产生器4为任意波形发生器。输出激光脉冲时间波形经光电管5采集、显示在示波器6上并被传递到反馈控制模块7。具体的,所述光电管5的工作带宽大于幅频调制周期。

步骤S200、对比初次的输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形,得到时间波形差异,当时间波形差异小于设定值时,幅频效应满足设定要求,结束反馈,反之,根据时间波形差异得到二次的整形激光脉冲波形并注入激光装置,在激光输出分束端3获得二次的输出激光脉冲时间波形。

反馈控制模块7逐点对比初次的输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形得到时间波形差异,具体的,将输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形按时域对齐后,按照时间点逐一对比差异,对于特定时间点位,当输出激光脉冲时间波形幅值大于目标激光脉冲时间波形幅值时,提高该时间点位的电脉冲波形幅值,反之,降低该时间点位的电脉冲波形幅值。所述电脉冲波形幅值的提高和降低均以前一次获得的整形电脉冲波形为基础。由时间波形差异反馈指导产生二次的整形电脉冲波形,通过电脉冲产生器4将二次的整形电脉冲波形加载到幅度调制器1上,经光电转换产生二次的整形激光脉冲波形。

步骤S300、重复步骤S200,直至输出激光脉冲时间波形与目标激光脉冲时间波形的差异小于设定值,激光装置中幅频效应被抑制。

通过电脉冲产生器4、幅度调制器1、光电管5、示波器6和反馈控制模块7,在激光脉冲整形端和预放大系统输出端建立反馈迭代系统,利用重频激光实时反馈并实时调节,无需解析激光装置的光谱透过率函数,从时间域出发,利用高频时域整形能力抑制激光脉冲时间波形低频幅频调制,简单便捷,能够有效抑制幅频效应,提高时域光束质量。同时,无需添加额外光机器件,利用激光装置现有参数测量配置,成本低,经济效益高。

此外,为了阐明时间域整形这种幅频效应抑制方法不会对横向受激布里渊散射效应的抑制产生不利效果,即时间域整形不应对激光脉冲的光谱分布造成较大的改变。发明人数值模拟了不同形态下的时间波形及相应的光谱分布,如图2(a)、图2(b)所示,模拟结果表明相同脉宽下,激光脉冲不同时域分布下光谱分布基本相同,即时间域整形不会对激光脉冲的光谱分布造成较大的改变,其中,图2(a)横坐标表示时间,单位为ns,纵坐标表示强度,图2(b)横坐标表示波长,单位为nm,纵坐标表示强度。同时,发明人实验测量了不同形态下的时间波形及相应的光谱分布,如图3所示,实验结果同样表明相同脉宽下,激光脉冲不同时域分布下的光谱分布基本相同,其中,图3(a)横坐标表示时间,单位为ns,纵坐标表示强度,图3(b)横坐标表示波长,单位为nm,纵坐标表示强度。上述模拟和实验都证明了时间域整形这种幅频效应抑制方法的合理性。

实施例二:

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述,不同的是:

任意波形发生器的垂直分辨率为9位(512个分辨率),注入任意波形发生器4的高频信号源为10GHz,相应的高频时域整形精度为100ps,低频幅频调制周期为400ps(2.5GHz),光电管5的工作带宽为12GHz。所述时间波形差异的设定值为RMS小于2%,PV值小于8%。

根据差值迭代反馈原理设计了幅频效应抑制流程,首先,以反演推算到预放大系统输出端的脉冲波形为目标激光脉冲时间波形,根据测量得到的非线性电-光幅值响应关系曲线,计算出初次的整形电脉冲波形。任意波形发生器将初次的整形电脉冲波形加载到幅度调制器1上,幅度调制器1将连续波激光斩波为初次的整形激光脉冲波形,初次的整形激光脉冲经传输放大链路2传输到预放大系统输出端。此时,由于激光系统的增益饱和和光谱透过率不均匀特性等,初次的整形激光脉冲发生一定畸变,如图4(a)中带有调制的波形。

利用高带宽光电管5采集初次的输出激光脉冲时间波形,而后将脉冲波形显示在高带宽示波器6上。对比分析采集的实际波形(初次的输出激光脉冲时间波形)与目标波形(目标激光脉冲时间波形),反演出修正的电脉冲波形(二次的整形电脉冲波形)。循环往复,不断迭代,直至输出激光脉冲时间波形满足评价标准,此时,预放大系统输出基本无幅频效应调制的激光脉冲,如图4(a)中基本无调制波形。此外,由图4(b)可以看出,任意波形发生器最终发出的电脉冲波形将带有与初次的整形电脉冲波形相反的调制信号。与此同时,由图4可以看出,针对激光脉冲较大的幅频调制,本发明可以将幅频调制抑制到5%(PV值)以下。其中,图4(a)横坐标表示时间,单位为ns,纵坐标表示强度,图4(b)横坐标表示时间,单位为ns,纵坐标表示脉冲电压,单位为mV。

采用本发明的幅频效应抑制方法后,激光装置某一次正式发射采集的时间波形。从图5(a)可以看出,预放大系统激光脉冲时间波形的调制很小,基本不可见。经主放大系统传输放大后,激光脉冲时间波形的调制仍然很小,如图5(b)所示。对于激光脉冲时间波形很小的调制,经终端光学系统谐波转换后,调制深度也没有明显加深,如图5(c)所示。由此证明,本发明对激光装置中幅频效应抑制效果显著,实用性强。其中,图5(a)-(c)中,横坐标表示时间,单位为ns,第一纵坐标表示功率,单位为GW,第二纵坐标表示偏差。

以上已将本发明做一详细说明,以上所述,仅为本发明之较佳实施例而已,当不能限定本发明实施范围,即凡依本申请范围所作均等变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖范围内。

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