[发明专利]基于级联移频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级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，每一载波移频单元的移频量相同，在每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；外差光束合成单元对功率放大后的各路激光进行外差合束。

技术领域

本发明涉及一种激光锁模技术，特别是一种基于级联移频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

本发明提供了一种基于级联移频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：一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，从每一载波移频器输出端分出一束激光用于后续的功率放大，每一载波移频单元的移频量相同，在每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；外差光束合成单元对放大后的各载波频率的连续激光进行外差合束。

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。

采用上述系统，每一级载波移频单元之间设置一激光分束器和激光预放大器。

采用上述系统，所述每束激光的载波频率间隔通常在十KHz到十GHz量级。

采用上述系统，高功率连续放大单元包括串联在各路激光中的窄线宽高功率激光放大器，用来提升各路激光的平均功率。