[发明专利]基于光频梳锁定的高平均功率锁模激光产生系统和方法

说明书

本发明提供了一种基于光频梳锁定的高平均功率锁模激光产生系统和方法，包括：连续激光种籽源，产生单频或窄线宽连续激光；激光分束单元，将种籽激光分成功率相等的多路激光；光频梳激光单元，产生多路载波频率间隔相等且相位满足锁模关系的光频梳激光梳齿；载波频率和相位锁定单元，将每一路连续激光的载波频率和相位分别锁定至光频梳载波频率间隔相等的光频梳激光梳齿上；高功率连续激光放大单元，由设置在每一路的高功率连续激光放大器组成，将每一载波频率的激光分别进行高功率连续激光放大；外差光束合成单元对放大后的各路连续激光进行外差合束，产生高平均功率锁模激光。

技术领域

本发明涉及一种激光锁模技术，特别是一种基于光频梳锁定的高平均功率锁模激光产生系统和方法。

背景技术

激光锁模技术是目前产生超短超强激光的主要技术手段，其创造的超短脉冲宽度使其具有超高的时间分辨率，因而被广泛地应用于超快现象的探测，如探测电子跃迁和弛豫、原子核运动、化学键形成等超快过程。超短的脉冲宽度所带来的超高峰值功率，使得锁模激光不仅被用于材料的损伤和加工，还被用于创造极端物理环境，如，激光粒子加速器、激光受控核聚变、激发正负电子对等。

由于锁模激光超高的峰值功率易引发激光工作介质的非线性效应甚至损伤，使得锁模激光平均功率的提升面临较大的技术难题。目前，通常采用啁啾放大技术、脉冲堆积放大技术、锁模相干合成技术等来提升锁模激光的脉冲能量或平均功率。

啁啾脉冲放大技术是将锁模激光脉冲先展宽以降低峰值功率来减小放大过程中非线性效应，再对能量放大后的脉冲进行脉宽压缩。啁啾脉冲放大技术虽然可大幅提升锁模激光的脉冲能量，但它通常是以牺牲重频为代价，使得锁模激光的平均功率提升十分有限，目前像美国劳伦斯伯克利国家实验室的BELLA这样最先进的拍瓦激光器的平均功率通常只有几十瓦。

脉冲堆积放大技术是在时间上将脉冲展开成一系列的脉冲串以有效降低峰值功率，经过放大后再将脉冲串堆积成高能量的脉冲。脉冲堆积放大技术可在更宽的时间范围内分散脉冲能量，降低非线性效应，可获得更高的脉冲能量，但同样对平均功率的提升十分有限。

锁模相干合成技术是将多路锁模激光器分别进行放大，然后经过光谱和相位控制技术，使各路相干叠加，最终可获得较大脉冲能量和较高的平均功率。该技术的不足在于参与合成的激光器仍是锁模激光器，所以单路锁模激光可提供的平均功率有限。要获得高平均功率的锁模激光则需要合成的路数较多，系统十分庞大，且锁模激光的相干合成技术较为复杂，控制精度较高，路数过多则实现难度十分巨大，目前实验上刚刚达到8根光纤合成为1kW，1mJ。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光频梳锁定的高平均功率锁模激光产生系统和方法，可以大幅提升锁模激光的平均功率。

实现本发明目的技术方案为：一种基于光频梳锁定的高平均功率锁模激光产生系统，包括一连续激光种籽源、一激光分束单元、若干并联的载波移频单元、若干并联的相位锁定单元、若干并联的高功率连续激光放大单元、外差光束合成单元和光频梳激光单元；激光分束器将激光种籽源发射的连续激光分束成功率相等的多路激光；载波移频单元将分束后的各路激光进行移频，获得载波频率呈等差数列分布的激光，频率公差为要锁定的光频梳激光梳齿频率间隔；每一相位锁定单元将各路激光的相位锁定至对应光频梳激光梳齿的相位；每一高功率连续激光放大单元将一载波频率的激光进行高功率激光放大；外差光束合成单元对放大后的各路激光进行外差合束；光频梳激光单元发射的光频梳激光被分束成与连续激光相同的多路，并提取各路激光欲锁定的梳齿，根据各路激光与对应梳齿的干涉效应反馈控制载波移频单元和相位锁定单元，使各路激光的频率和相位锁定在对应的梳齿上。

采用上述系统，使用窄带滤光装置用于提取欲锁定的光频梳激光梳齿。

采用上述系统，使用光电探测器探测各路连续激光与对应梳齿的干涉信号。

采用上述系统，激光种籽源发射的激光为单频或窄线宽连续激光。