[发明专利]基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法及装置

说明书

基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法及装置属于激光探测领域，该方法依据远端发射过来的功率极弱的飞秒脉冲序列，由本地飞秒激光器向回发射新的脉冲序列，并利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应产生反馈信号，对本地飞秒激光器的脉冲重复频率进行反馈控制，使得输出信号的脉冲与原信号实时重叠并锁定；该装置包括本地飞秒激光器、平衡光电探测单元、控制单元和分光光路；本发明在实现了飞秒激光功率放大的同时，以阿秒量级的阿伦方差保留了原信号的脉冲时域信息。

技术领域

本发明属于激光探测领域，主要涉及一种在超远距离精密测量中对飞秒激光功率进行放大的方法及装置。

背景技术

超远距离精密激光测量是大型科学装置和空间飞行任务所必备的关键技术，随着科学技术的迅猛发展，其测程和精度的需求也在日益提高。例如，近年来引力波探测等大型科学装置的建造是世界各国的研究热点，引力波的探测是对广义相对论预言的直接验证，也是对其核心思想的直接检验，并且对探讨引力场的量子化和大统一模型、研究宇宙起源和演化具有重大意义。引力波的探测也直接促成了引力波天文学的诞生，使得用引力波代替传统的电磁波手段观测宇宙成为可能，这可以为我们提供大量过去无法获得的信息，为人们进一步加深对宇宙的理解提供了新的途径。美国的LIGO、德国的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探测器，测程可达几十公里；美国的LISA、欧洲的NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；而中国和欧洲合作的ASTROD等深空引力波探测器测程将达到上亿公里。此外，在分布式小卫星合成孔径雷达等空间编队飞行任务中，各颗小卫星相互协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以以较低的成本、较高的可靠性和生存能力替代单颗相同功能的传统大卫星，并突破传统大卫星的尺寸限制，扩展大卫星的应用领域和性能，包括对地观测、立体成像、精确定位、大气探测、天文观测和地球物理观测等，具有巨大的军用价值和民用价值。但是，上述任务需要对卫星间基线进行高精度测量，其精度要求达到亚毫米甚至更高量级，而测程要求则达到上百公里甚至更高。

在上述超远距离精密激光测量任务中，由于测程遥远，以目前的光束整形技术，即使出射光的光束发散角仅为几个微弧度，在到达遥远的目标端时，光斑也将扩散得极其明显；再加上光路中不可避免的光学损耗，测距系统最终探测到的回光信号仅为出射信号中很小的一部分。例如，LISA中的系统回光能量仅为出射光能量的1/1010。回光功率过小将会导致测距系统的信噪比大幅度降低，进而使得测距精度大幅度下降，最终无法满足测量需求。因此，需要在被测端对探测到的微弱光进行功率放大。

另一方面，随着近年来飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲测量方法逐渐进入了人们的视野。其主要优势在于脉冲能量非常集中，可以在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干涉测量和双向干涉测量等连续波测量方法，在相同的激光器平均功率下，系统回光功率可以提高多个甚至十余个量级，因而更适合于超远距离测量。在飞秒激光测量的基础上进行光功率放大，将可以最大幅度地扩展目前激光测量系统的测程。

在通信领域，如中国专利公布号CN101997612A，公布日2011年3月30日，发明《光放大装置及光中继器》，公布了一种基于掺铒光纤和泵浦激光器的光放大装置及光中继器，通过有源的方式提升了光信号的增益；又如中国专利公布号CN102244544A，公布日2011年11月16日，发明《长距光放大装置、PON和光信号传输方法》，公布了一种基于无源光纤网络的光放大装置，通过上下行光信号分路的方式实现了光网络的长距离传输。上述方法适用于光纤通信领域，但都无法实现对光信号的精密测量，也保证不了功率放大后脉冲的时域信息不丢失。