一种用于偏振相干合束的脉冲串生成装置及方法

本发明属于脉冲生成，更具体地，涉及一种用于偏振相干合束的脉冲串生成装置及方法。

背景技术：

1、高功率大能量超短脉冲激光在精密加工、生物医疗、光谱分析、国防工业等领域有着广泛的应用。然而，在超短脉冲的时间尺度下，激光能量的放大成为了一件极富挑战的事情。超短脉冲峰值功率极高，在增益介质尤其是光纤中放大时，随着输出功率的提高，累积的非线性效应会引起严重的畸变，导致时域分裂、频谱失真、光斑抖动等问题。

2、常用的解决方案是啁啾脉冲放大技术。啁啾脉冲放大技术的出现，使得激光脉冲的功率获得极大的提升。但是，这项技术有其固有局限性：(1)对于频谱极窄的皮秒脉冲，需要采用极大色散量的光学器件或者很长的工作距离，才能实现有效的脉冲时域展宽；(2)展宽过程中色散型器件不可避免地引入高阶色散，而高阶色散的完全补偿难以实现；(3)高倍率展宽器的工作距离很长，不利于整个激光系统的集成，并且长距离的空间光路对环境振动非常敏感；(4)展宽器和压缩器引入的色散量难以严格抵消。

3、为了产生具有特定偏振模式的脉冲串，现在普遍采用的方法有两种。一种方法是采用偏振分光棱镜、半波片和光学延时线的组合直接产生，但是其光路复杂，体积大，对环境变化敏感，较不稳定；另一种方法是利用两个具有不同相位模式的正交偏振脉冲串的相干叠加间接产生，无需使用光学延时线，结构紧凑，集成度和稳定性高，但是需要使用两个相位调制器，目前普遍采用电光调制器用于相位调制。一般情况下，脉冲串的脉冲间非线性相位失配可以忽略，此时相位调制器所需施加的相位模式仅为0和π。电光调制器使装置更加精密和复杂，成本也急剧增加。

4、综上所述，传统方法中光学延时线或者电光调制器的使用增加了脉冲生成系统的复杂度与成本，不利于偏振相干合束技术的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于偏振相干合束的脉冲串生成装置及方法，其目的在于，首先利用第一声光偏转单元对不同时刻的入射脉冲依次进行声光调制改变其衍射角，从而使得依次沿对应光路进行出射；然后利用偏振方向调整组件使不同时刻的出射脉冲沿三条光路中的任一光路传播并控制该出射脉冲的偏振方向发生0°或90°或180°的偏转；最后利用第二声光偏转单元使各个偏振脉冲均沿同一方向依次出射得到目标脉冲串，该结构简单、成本低，能够生成各种具有特定偏振模式的脉冲串，由此解决用于偏振相干合束的脉冲串生成装置构成复杂、成本高昂的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于偏振相干合束的脉冲串生成装置，包括：

3、第一声光偏转单元，设置在入射脉冲的光路上，用于根据待生成的目标脉冲串的光偏振态时序，对不同时刻的入射脉冲依次进行声光调制改变其衍射角，从而使得不同时刻的入射脉冲依次沿对应光路进行出射；

4、偏振方向调整组件，设置于所述第一声光偏转单元的出射光路上，所述光路包括第一光路、第二光路和第三光路，三者对应光程相等；所述偏振方向调整组件用于使从所述第一声光偏转单元不同时刻的出射脉冲沿三条光路中的任一光路传播，并控制该出射脉冲的偏振方向发生0°或90°或180°的偏转，得到偏振脉冲；

5、第二声光偏转单元，设置于所述第一光路、所述第二光路和所述第三光路上，用于对各个光路出射的偏振脉冲进行声光调制改变其衍射角，使各个偏振脉冲均沿同一方向依次出射，得到所述目标脉冲串。

6、在其中一个实施例中，所述第一声光偏转单元用于控制一个时刻的入射脉冲施加f1的声场使其沿所述第一光路传播；还用于控制一个时刻的入射脉冲施加f2的声场使其沿所述第二光路传播；还用于控制一个时刻的入射脉冲施加f3的声场使其沿所述第三光路传播，f1≠f2≠f3。

7、在其中一个实施例中，所述第二声光偏转单元用于控制一个时刻的入射脉冲施加-f1的声场使其沿所述第一光路传播；还用于控制一个时刻的入射脉冲施加-f2的声场使其沿所述第二光路传播；还用于控制一个时刻的入射脉冲施加-f3的声场使其沿所述第三光路传播。

8、在其中一个实施例中，f1、f2和f3中其中一个等于0。

9、在其中一个实施例中，所述偏振方向调整组件包括第一位相延迟单元和第二位相延迟单元，分别设置在所述第二光路上和第三光路上；

10、所述第一位相延迟单元用于改变所述第二光路上传播脉冲的偏振方向发生90°偏转；

11、所述第二位相延迟单元用于改变所述第三光路上传播脉冲的偏振方向发生180°偏转。

12、在其中一个实施例中，所述第一位相延迟单元和所述第二位相延迟单元为半波片，用于通过设置对应光路上传播光的偏振方向与半波片主轴的夹角来实现偏振方向的偏转。

13、在其中一个实施例中，所述偏振方向调整组件还包括光程补偿单元，设置于低于最高光程的光路上，用于对所在光路上传播脉冲的光程进行补偿，以使三个光路的光程相等。

14、在其中一个实施例中，所述光程补偿单元为平行平面薄片。

15、在其中一个实施例中，所述光程补偿单元为多个反射镜，多个所述反射镜中第一个反射镜设置对应光路上传播脉冲的传播光路上，后一个反射镜设置在前一个反射镜的反射光路上，最后一个反射镜将传播脉冲投射给所述第二声光偏转单元。

16、按照本发明的另一方面，提供了一种用于偏振相干合束的脉冲串生成方法，包括：

17、利用第一声光偏转单元根据待生成的目标脉冲串的光偏振态时序，对不同时刻的入射脉冲依次进行声光调制改变其衍射角，从而使得不同时刻的入射脉冲依次沿对应光路进行出射；所述光路包括第一光路、第二光路和第三光路，三者对应光程相等；

18、利用偏振方向调整组件使从所述第一声光偏转单元不同时刻的出射脉冲沿三条光路中的任一光路传播，并控制该出射脉冲的偏振方向发生0°或90°或180°的偏转，得到偏振脉冲；

19、利用第二声光偏转单元对各个光路出射的偏振脉冲进行声光调制改变其衍射角，使各个偏振脉冲均沿同一方向依次出射，得到所述目标脉冲串。

20、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

21、(1)本发明提供的用于偏振相干合束的脉冲串生成装置依次包括第一声光偏转单元、偏振方向调整组件和第二声光偏转单元；分别对入射激光脉冲串进行分束调控、偏振调制与合束，输出具有特定偏振模式的脉冲串，使整个系统更加灵活可控，成本降低。声光偏转单元用于调控入射脉冲的衍射角，即传播方向。偏振方向调整组件调整偏振方向并使三条光路的总光程一致，从而达到仅对入射光脉冲串的偏振进行调制使其具有特定偏振模式以便后续放大和合束的目的，仅通过电学调控即可生成能够用于偏振相干合束的脉冲串，降低了偏振相干合束系统的成本。此外，本发明采用声光偏转元件，其工作速率目前已达到百兆赫兹，与超快脉冲振荡器的重复频率相匹配，满足超快激光脉冲串的调制速率需求。

22、(2)本发明通过控制第一声光偏转单元对入射脉冲施加f1、f2或f3的声场使其衍射角发生不同程度的变化，从而从不同方向进行传播，操作简单灵活。

23、(3)本发明中第一声光偏转单元对入射脉冲施加f1、f2或f3的声场使其衍射角发生不同程度的变化，第二声光偏转单元一一对应地对入射脉冲施加-f1、-f2或-f3的声场使其衍射角恢复成最初的传播方向，该方案针对用于偏振相干合束的脉冲串生成装置的所有入射脉冲均沿同一方向，且与最终需要的目标脉冲串方向一致；该结构形成一个闭环的控制，不会改变光传播方向。

24、(4)本发明中f1、f2和f3中其中一个等于0。则其中一个入射脉冲进入第一声光偏转单元后传播方向不会发生改变，可以降低结构耗损。

25、(5)本发明中在第二光路上和第三光路上设置位相延迟单元，以使得三条光路的总光程一致，便于后期偏振合束；位相延迟单元可以是半波片，。

26、(6)本发明中光程补偿单元可以是平行平面薄片也可以是多个配合设置的反射镜，结构简单，可能根据成本、重量或者体积相关指标提供灵活的选择。