基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法及装置的制造方法
基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光探测领域，主要设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】
[0002] 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， 也是对其核屯、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，运可W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LIG0、德国的GE0600、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NG0 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ASTR0D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 审IJ，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 更局。
[0003] 在上述超远距离精密激光测量任务中，由于测程遥远，W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。
[0004] 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W在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干设 测量和双向干设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W 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W最大幅度地扩展目前激光测量系统的测程。
[0005] 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》，公布了一种基于渗巧光纤和累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、P0N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。
[0006] 在信号探测领域，如中国专利公布号CN103475318A，公布日2013年12月25日，发明 《一种用于测光系统中的光电信号放大电路》，公布了一种用于测光系统中的光电信号放大 电路，通过电学方法实现了光信号的放大，但该方法在激光测量领域中应用时噪声较大，且 难W实现对飞秒脉冲的放大；又如中国专利公布号CN103324003A，公布日2013年9月25日， 发明《弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法及装置》，公布了一种基于部分相 干光累浦的弱光信号非线性光学放大方法及装置，但该方法需要引入另一束累浦光与被测 信号进行禪合，且不能在放大脉冲功率的同时保留原脉冲信号的时域信息。
[0007] 在激光测量领域，如2001年，Surveys in Geophysics第22卷第5期发表文章 《Unified approach to photon-counting microlaser rangers , transponders , and altimeters》;又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在 被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的 四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲 序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，不能在放大脉冲功率的同时保 留原脉冲信号的时域信息，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难W突破毫米量级。 [000引在飞秒激光测距领域，如2010年，Na化re Photonics第4卷第10期发表文章《111116-of-flight measurement with femtosecond li曲t pulses》；又如2012年，物理学报第61 卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针 对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域锁定，实现了较 高的测距精度。但是，该方法目前只在测距装置中得W应用，并不能用来放大光功率。
[0009] 综上所述，目前在激光探测领域中缺少一种在超远距离精密测量中对飞秒激光功 率进行放大并W较高精度保留脉冲时域信息的方法及装置。
【发明内容】
[0010] 本发明针对上述光功率放大方法及装置不能放大飞秒激光功率W及光功率放大 后脉冲时域信息丢失等问题，提出并设计了一种基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放 大方法及装置。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，在放大了光功率的同时W阿秒量级的阿伦方差保 留了原信号的脉冲时域信息。
[0011] 本发明的目的通过W下技术方案实现：
[0012] -种基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法，该方法步骤如下：
[0013] a、从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号;本地飞秒激光 器发出的飞秒激光脉冲序列进入分光光路后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号， 另一束功率较弱作为参考信号；
[0014] b、步骤a中的参考信号与输入信号汇合后进入平衡光电探测单元，先后通过两个 周期性极化晶体，并相应产生两个波长减半的二次谐波信号，进而利用双色镜实现原信号 与二次谐波的分离;两个二次谐波信号分别由两个光电探测器探测后转化为电信号相减；
[0015] c、步骤b中减法器的输出信号作为反馈信号，经过整形电路的滤波、放大和整形 后，进入控制电路对本地飞秒激光器的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号和输入信 号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。
[0016] -种基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大装置，由本地飞秒激光器、平衡 光电探测单元、控制单元和分光光路组成;远端和本地飞秒激光器发射的激光分别射入分 光光路的两个输入端；分光光路的两个输出端分别指向远端和平衡光电探测单元的输入 端;平衡光电探测单元的输出端连接到控制单元的输入端;控制单元的输出端连接到本地 飞秒激光器。
[0017] 所述分光光路的结构是:远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器、偏振片 和偏振分光镜后进入一号光隔离器的输入端;本地飞秒激光器发出的激光经过分光镜后分 为两束，一束经过四分之一波片和二号扩束准直器后射向远端，另一束经过二号光隔离器 和偏振分光镜后进入一号光隔离器的输入端。
[0018] 所述平衡光电探测单元的结构是:一号光隔离器输出的光信号经过一号透镜、一 号周期性极化晶体和二号透镜后射向一号双色镜;一号双色镜的反射光射入一号光电探测 器的输入端，一号双色镜的透射光经过Ξ号透镜、二号周期性极化晶体和四号透镜后射向 二号双色镜;二号双色镜的反射光射入二号光电探测器的输入端，二号双色镜的透射光直 接射出系统；一号光电探测器和二号光电探测器的输出端连接至减法器的输入端;减法器 的输出端连接至整形电路的输入端。所述一号周期性极化晶体和二号周期性极化晶体采用 的非线性光学材料为舰酸裡。
[0019] 本发明具有W下特点及有益效果：
[0020] (1)利用本地飞秒激光器实现了对输入信号功率的有源放大，针对远端发射过来 的不同周期、不同功率的飞秒脉冲，输出信号的脉冲周期与原信号相同，输出脉冲的功率为 可调的常数且不受噪声和放大倍率限制。
[0021] (2)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，通过对本地 飞秒激光器脉冲重复频率的反馈控制，实现了输出信号对输入信号脉冲序列的高精度锁 定，W阿秒量级的阿伦方差保留了输入信号的脉冲时域信息。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的总体配置结构示意图。
[0023] 图2为本发明的装置结构示意图。
[0024] 图中件号说明：1平衡光电探测单元、2控制单元、3本地飞秒激光器、4分光光路、5 一号扩束准直器、6偏振片、7偏振分光镜、8-号光隔离器、9 一号透镜、10-号周期性极化晶 体、11二号透镜、12-号双色镜、13Ξ号透镜、14二号周期性极化晶体、15四号透镜、16二号 双色镜、17二号光电探测器、18整形电路、19减法器、20控制电路、21-号光电 探测器、22分 光镜、23四分之一波片、24二号扩束准直器、25二号光隔离器。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0026] 本实施例的基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大装置，图1为其总体配置 结构示意图，图2为其装置结构示意图，该装置由本地飞秒激光器3、平衡光电探测单元1、控 制单元2和分光光路4组成;远端和本地飞秒激光器3发射的激光分别射入分光光路4的两个 输入端;分光光路4的两个输出端分别指向远端和平衡光电探测单元1的输入端;平衡光电 探测单元1的输出端连接到控制单元2的输入端;控制单元2的输出端连接到本地飞秒激光 器3。
[0027] 所述分光光路4的结构是:远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器5、偏振 片6和偏振分光镜7后进入一号光隔离器8的输入端;本地飞秒激光器3发出的激光经过分光 镜22后分为两束，一束经过四分之一波片23和二号扩束准直器24后射向远端，另一束经过 二号光隔离器25和偏振分光镜7后进入一号光隔离器8的输入端。
[0028] 所述平衡光电探测单元1的结构是:一号光隔离器8输出的光信号经过一号透镜9、 一号周期性极化晶体10和二号透镜11后射向一号双色镜12;-号双色镜12的反射光射入一 号光电探测器21的输入端，一号双色镜12的透射光经过Ξ号透镜13、二号周期性极化晶体 14和四号透镜15后射向二号双色镜16;二号双色镜16的反射光射入二号光电探测器17的输 入端，二号双色镜16的透射光直接射出系统；一号光电探测器21和二号光电探测器17的输 出端连接至减法器19的输入端;减法器19的输出端连接至整形电路18的输入端。所述一号 周期性极化晶体10和二号周期性极化晶体14采用的非线性光学材料为舰酸裡，其有益效果 在于:透光波段宽，能量转换效率高，且易于制备。
[0029] 本实施例的基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法，该方法步骤如下：
[0030] a、从远端发射的飞秒激光脉冲序列S波长λ为1550nm;脉冲重复频率f为lOOMHz ;脉 冲周期T为l(T8s;脉冲宽度W为lOfs;平均光功率;^为1W;脉冲峰值功率P为106W;该信号及其 峰值功率可W表示为：
[0033]其中，η为脉冲序号，E为信号S的单个脉冲电场表达式。W空间引力波探测任务为 例，S在真空条件下经过530万公里的距离到达被测端后，其光功率与传播距离呈平方关系 剧烈衰减。探测到的信号作为光功率放大装置的输入信号Sin，其脉冲峰值功率Pin为化胖，且 相比于S产生了飞行时间延迟TdelaynSin及其脉冲峰值功率可W表示为：
[0036] 其中，Ein为输入信号的单个脉冲电场表达式，光学系统透过率η为0.5,光学系统口 径d为0.3m，光束发散角目为0.00004，光的传播距离D为5.3X10 6km。Sin经过一号扩束准直器 5和偏振片6后由圆偏振光变为Ρ光，又经偏振分光镜7透射后进入一号光隔离器8的输入端。
[0037] 另一方面，本地飞秒激光器3发出的飞秒激光作为本地信号S'。首先设定其波长λ' 为1550nm;脉冲重复频率f'约lOOMHz;脉冲周期Τ'约l(T8s;脉冲宽度W'为lOfs;平均光功率 F'为1W;脉冲峰值功率P'为106W;此外，S'与Sin之间存在一个不确定的时域延迟A t; S'可 W表示为：
[00；3 引
[0039]其中，E'为本地信号的单个脉冲电场表达式。S'为S光，首先进入分光光路4,经过 分光镜22后被分为两束光;其中占绝大部分光功率的一束作为输出信号Sout，其平均光功率 户。W约1W;脉冲峰值功率Pnut约10 6W;另一束光功率较小的作为参考信号Sref，其脉冲峰值功 率Pref为lyW; Sout和Sref分别可W表示为：
[0042] 其中，E〇ut、Eref分别为输出信号和参考信号的单个脉冲电场表达式。Sout为P光，经 过四分之一波片23后变为圆偏振光，又经二号扩束准直器24扩束准直后射向远端；Sref是S 光，经过二号光隔离器25和偏振分光镜7的反射后射向一号光隔离器8的输入端。
[0043] b、步骤a中的Sref和Sin汇合后，从一号光隔离器8射入平衡光电探测单元1;偏振态 相互垂直的Sref和Sin首先经过一号透镜9进入一号周期性极化晶体10,并产生波长减半的二 次谐波信号Ssecl;随后，Sref、Sin和Ssecl共同经过二号透镜11射向一号双色镜12;其中，波长 775皿的Ssecl经一号双色镜12反射后射向一号光电探测器21，波长1550皿的Sref和Sin经一号 双色镜12透射后，又经Ξ号透镜13进入二号周期性极化晶体14,并产生波长减半的二次谐 波信号Ssec2 ;随后，Sref、Sin和Ssec2共同经过四号透镜15射向二号双色镜16 ;其中，波长 1550皿的Sref和Sin经二号双色镜16直接透射出系统，波长775皿的二次谐波信号Ssec2经二号 双色镜16反射后射向二号光电探测器17;同时，一号光电探测器21和二号光电探测器17将 探测到的Ssecl和Ssec2转换为电信号并输出至减法器19相减。
[0044] C、步骤b中减法器19的输出信号Sfb作为反馈信号，进入整形电路18,经过滤波、放 大和整形后进入控制电路20;由控制电路20产生控制信号，对本地飞秒激光器3的脉冲重复 频率f'进行反馈控制，使得参考信号和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定，亦即：
[0045] Sref = Σ nEref ( t-nT-Tdelay ) ( 8 )
[0046] 进而，针对不同功率的输入信号Sin，输出信号Snut的光功率为可调的常数，本实施 例中设置P?t = iw，是。w= l〇6W;:且W阿秒量级的阿伦方差保留了原信号时域信息，亦即：
[0047] Sout=XnEout(t-nT-Tdelay) (9)
【主权项】
1. 基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法，其特征在于:该方法步骤如下： a、 从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号;本地飞秒激光器(3) 发出的飞秒激光脉冲序列进入分光光路(4)后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号， 另一束功率较弱作为参考信号； b、 步骤a中的参考信号与输入信号汇合后进入平衡光电探测单元（1)，先后通过两个周 期性极化晶体（1〇、14)，并相应产生两个波长减半的二次谐波信号，进而利用双色镜（12、 16)实现原信号与二次谐波的分离;两个二次谐波信号分别由两个光电探测器(21、17)探测 后转化为电信号相减； c、 步骤b中减法器（19)的输出信号作为反馈信号，经过整形电路（18)的滤波、放大和整 形后，进入控制电路(20)对本地飞秒激光器(3)的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号 和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。2. -种基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大装置，其特征在于：它由本地飞秒 激光器(3)、平衡光电探测单元（1)、控制单元(2)和分光光路(4)组成;远端和本地飞秒激光 器(3)发射的激光分别射入分光光路(4)的两个输入端;分光光路(4)的两个输出端分别指 向远端和平衡光电探测单元(1)的输入端;平衡光电探测单元（1)的输出端连接到控制单元 (2)的输入端;控制单元(2)的输出端连接到本地飞秒激光器(3); 所述分光光路(4)的结构是:远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器(5)、偏振 片(6)和偏振分光镜(7)后进入一号光隔离器(8)的输入端;本地飞秒激光器(3)发出的激光 经过分光镜(22)后分为两束，一束经过四分之一波片(23)和二号扩束准直器(24)后射向远 端，另一束经过二号光隔离器(25)和偏振分光镜(7)后进入一号光隔离器(8)的输入端； 所述平衡光电探测单元（1)的结构是：一号光隔离器（8)输出的光信号经过一号透镜 (9)、一号周期性极化晶体(10)和二号透镜（11)后射向一号双色镜（12);-号双色镜（12)的 反射光射入一号光电探测器(21)的输入端，一号双色镜（12)的透射光经过三号透镜（13)、 二号周期性极化晶体(14)和四号透镜（15)后射向二号双色镜（16);二号双色镜（16)的反射 光射入二号光电探测器（17)的输入端，二号双色镜（16)的透射光直接射出系统;一号光电 探测器(21)和二号光电探测器（17)的输出端连接至减法器（19)的输入端;减法器（19)的输 出端连接至整形电路(18)的输入端。3. 根据权利要求2所述的基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大装置，其特征在 于:所述一号周期性极化晶体(10)和二号周期性极化晶体(14)采用的非线性光学材料为碘 酸锂。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H01S3/098, H01S3/13, H01S3/16
【公开号】CN105490159
【申请号】CN201610084898
【发明人】郭佳豪, 谭久彬
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月6日
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光探测领域，主要设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】
[0002] 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， 也是对其核屯、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，运可W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LIG0、德国的GE0600、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NG0 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ASTR0D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 审IJ，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 更局。
[0003] 在上述超远距离精密激光测量任务中，由于测程遥远，W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。
[0004] 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W在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干设 测量和双向干设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W 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W最大幅度地扩展目前激光测量系统的测程。
[0005] 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》，公布了一种基于渗巧光纤和累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、P0N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。
[0006] 在信号探测领域，如中国专利公布号CN103475318A，公布日2013年12月25日，发明 《一种用于测光系统中的光电信号放大电路》，公布了一种用于测光系统中的光电信号放大 电路，通过电学方法实现了光信号的放大，但该方法在激光测量领域中应用时噪声较大，且 难W实现对飞秒脉冲的放大；又如中国专利公布号CN103324003A，公布日2013年9月25日， 发明《弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法及装置》，公布了一种基于部分相 干光累浦的弱光信号非线性光学放大方法及装置，但该方法需要引入另一束累浦光与被测 信号进行禪合，且不能在放大脉冲功率的同时保留原脉冲信号的时域信息。
[0007] 在激光测量领域，如2001年，Surveys in Geophysics第22卷第5期发表文章 《Unified approach to photon-counting microlaser rangers , transponders , and altimeters》;又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在 被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的 四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲 序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，不能在放大脉冲功率的同时保 留原脉冲信号的时域信息，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难W突破毫米量级。 [000引在飞秒激光测距领域，如2010年，Na化re Photonics第4卷第10期发表文章《111116-of-flight measurement with femtosecond li曲t pulses》；又如2012年，物理学报第61 卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针 对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域锁定，实现了较 高的测距精度。但是，该方法目前只在测距装置中得W应用，并不能用来放大光功率。
[0009] 综上所述，目前在激光探测领域中缺少一种在超远距离精密测量中对飞秒激光功 率进行放大并W较高精度保留脉冲时域信息的方法及装置。
【发明内容】
[0010] 本发明针对上述光功率放大方法及装置不能放大飞秒激光功率W及光功率放大 后脉冲时域信息丢失等问题，提出并设计了一种基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放 大方法及装置。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，在放大了光功率的同时W阿秒量级的阿伦方差保 留了原信号的脉冲时域信息。
[0011] 本发明的目的通过W下技术方案实现：
[0012] -种基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法，该方法步骤如下：
[0013] a、从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号;本地飞秒激光 器发出的飞秒激光脉冲序列进入分光光路后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号， 另一束功率较弱作为参考信号；
[0014] b、步骤a中的参考信号与输入信号汇合后进入平衡光电探测单元，先后通过两个 周期性极化晶体，并相应产生两个波长减半的二次谐波信号，进而利用双色镜实现原信号 与二次谐波的分离;两个二次谐波信号分别由两个光电探测器探测后转化为电信号相减；
[0015] c、步骤b中减法器的输出信号作为反馈信号，经过整形电路的滤波、放大和整形 后，进入控制电路对本地飞秒激光器的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号和输入信 号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。
[0016] -种基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大装置，由本地飞秒激光器、平衡 光电探测单元、控制单元和分光光路组成;远端和本地飞秒激光器发射的激光分别射入分 光光路的两个输入端；分光光路的两个输出端分别指向远端和平衡光电探测单元的输入 端;平衡光电探测单元的输出端连接到控制单元的输入端;控制单元的输出端连接到本地 飞秒激光器。
[0017] 所述分光光路的结构是:远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器、偏振片 和偏振分光镜后进入一号光隔离器的输入端;本地飞秒激光器发出的激光经过分光镜后分 为两束，一束经过四分之一波片和二号扩束准直器后射向远端，另一束经过二号光隔离器 和偏振分光镜后进入一号光隔离器的输入端。
[0018] 所述平衡光电探测单元的结构是:一号光隔离器输出的光信号经过一号透镜、一 号周期性极化晶体和二号透镜后射向一号双色镜;一号双色镜的反射光射入一号光电探测 器的输入端，一号双色镜的透射光经过Ξ号透镜、二号周期性极化晶体和四号透镜后射向 二号双色镜;二号双色镜的反射光射入二号光电探测器的输入端，二号双色镜的透射光直 接射出系统；一号光电探测器和二号光电探测器的输出端连接至减法器的输入端;减法器 的输出端连接至整形电路的输入端。所述一号周期性极化晶体和二号周期性极化晶体采用 的非线性光学材料为舰酸裡。
[0019] 本发明具有W下特点及有益效果：
[0020] (1)利用本地飞秒激光器实现了对输入信号功率的有源放大，针对远端发射过来 的不同周期、不同功率的飞秒脉冲，输出信号的脉冲周期与原信号相同，输出脉冲的功率为 可调的常数且不受噪声和放大倍率限制。
[0021] (2)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，通过对本地 飞秒激光器脉冲重复频率的反馈控制，实现了输出信号对输入信号脉冲序列的高精度锁 定，W阿秒量级的阿伦方差保留了输入信号的脉冲时域信息。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的总体配置结构示意图。
[0023] 图2为本发明的装置结构示意图。
[0024] 图中件号说明：1平衡光电探测单元、2控制单元、3本地飞秒激光器、4分光光路、5 一号扩束准直器、6偏振片、7偏振分光镜、8-号光隔离器、9 一号透镜、10-号周期性极化晶 体、11二号透镜、12-号双色镜、13Ξ号透镜、14二号周期性极化晶体、15四号透镜、16二号 双色镜、17二号光电探测器、18整形电路、19减法器、20控制电路、21-号光电 探测器、22分 光镜、23四分之一波片、24二号扩束准直器、25二号光隔离器。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0026] 本实施例的基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大装置，图1为其总体配置 结构示意图，图2为其装置结构示意图，该装置由本地飞秒激光器3、平衡光电探测单元1、控 制单元2和分光光路4组成;远端和本地飞秒激光器3发射的激光分别射入分光光路4的两个 输入端;分光光路4的两个输出端分别指向远端和平衡光电探测单元1的输入端;平衡光电 探测单元1的输出端连接到控制单元2的输入端;控制单元2的输出端连接到本地飞秒激光 器3。
[0027] 所述分光光路4的结构是:远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器5、偏振 片6和偏振分光镜7后进入一号光隔离器8的输入端;本地飞秒激光器3发出的激光经过分光 镜22后分为两束，一束经过四分之一波片23和二号扩束准直器24后射向远端，另一束经过 二号光隔离器25和偏振分光镜7后进入一号光隔离器8的输入端。
[0028] 所述平衡光电探测单元1的结构是:一号光隔离器8输出的光信号经过一号透镜9、 一号周期性极化晶体10和二号透镜11后射向一号双色镜12;-号双色镜12的反射光射入一 号光电探测器21的输入端，一号双色镜12的透射光经过Ξ号透镜13、二号周期性极化晶体 14和四号透镜15后射向二号双色镜16;二号双色镜16的反射光射入二号光电探测器17的输 入端，二号双色镜16的透射光直接射出系统；一号光电探测器21和二号光电探测器17的输 出端连接至减法器19的输入端;减法器19的输出端连接至整形电路18的输入端。所述一号 周期性极化晶体10和二号周期性极化晶体14采用的非线性光学材料为舰酸裡，其有益效果 在于:透光波段宽，能量转换效率高，且易于制备。
[0029] 本实施例的基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法，该方法步骤如下：
[0030] a、从远端发射的飞秒激光脉冲序列S波长λ为1550nm;脉冲重复频率f为lOOMHz ;脉 冲周期T为l(T8s;脉冲宽度W为lOfs;平均光功率;^为1W;脉冲峰值功率P为106W;该信号及其 峰值功率可W表示为：
[0033]其中，η为脉冲序号，E为信号S的单个脉冲电场表达式。W空间引力波探测任务为 例，S在真空条件下经过530万公里的距离到达被测端后，其光功率与传播距离呈平方关系 剧烈衰减。探测到的信号作为光功率放大装置的输入信号Sin，其脉冲峰值功率Pin为化胖，且 相比于S产生了飞行时间延迟TdelaynSin及其脉冲峰值功率可W表示为：
[0036] 其中，Ein为输入信号的单个脉冲电场表达式，光学系统透过率η为0.5,光学系统口 径d为0.3m，光束发散角目为0.00004，光的传播距离D为5.3X10 6km。Sin经过一号扩束准直器 5和偏振片6后由圆偏振光变为Ρ光，又经偏振分光镜7透射后进入一号光隔离器8的输入端。
[0037] 另一方面，本地飞秒激光器3发出的飞秒激光作为本地信号S'。首先设定其波长λ' 为1550nm;脉冲重复频率f'约lOOMHz;脉冲周期Τ'约l(T8s;脉冲宽度W'为lOfs;平均光功率 F'为1W;脉冲峰值功率P'为106W;此外，S'与Sin之间存在一个不确定的时域延迟A t; S'可 W表示为：
[00；3 引
[0039]其中，E'为本地信号的单个脉冲电场表达式。S'为S光，首先进入分光光路4,经过 分光镜22后被分为两束光;其中占绝大部分光功率的一束作为输出信号Sout，其平均光功率 户。W约1W;脉冲峰值功率Pnut约10 6W;另一束光功率较小的作为参考信号Sref，其脉冲峰值功 率Pref为lyW; Sout和Sref分别可W表示为：
[0042] 其中，E〇ut、Eref分别为输出信号和参考信号的单个脉冲电场表达式。Sout为P光，经 过四分之一波片23后变为圆偏振光，又经二号扩束准直器24扩束准直后射向远端；Sref是S 光，经过二号光隔离器25和偏振分光镜7的反射后射向一号光隔离器8的输入端。
[0043] b、步骤a中的Sref和Sin汇合后，从一号光隔离器8射入平衡光电探测单元1;偏振态 相互垂直的Sref和Sin首先经过一号透镜9进入一号周期性极化晶体10,并产生波长减半的二 次谐波信号Ssecl;随后，Sref、Sin和Ssecl共同经过二号透镜11射向一号双色镜12;其中，波长 775皿的Ssecl经一号双色镜12反射后射向一号光电探测器21，波长1550皿的Sref和Sin经一号 双色镜12透射后，又经Ξ号透镜13进入二号周期性极化晶体14,并产生波长减半的二次谐 波信号Ssec2 ;随后，Sref、Sin和Ssec2共同经过四号透镜15射向二号双色镜16 ;其中，波长 1550皿的Sref和Sin经二号双色镜16直接透射出系统，波长775皿的二次谐波信号Ssec2经二号 双色镜16反射后射向二号光电探测器17;同时，一号光电探测器21和二号光电探测器17将 探测到的Ssecl和Ssec2转换为电信号并输出至减法器19相减。
[0044] C、步骤b中减法器19的输出信号Sfb作为反馈信号，进入整形电路18,经过滤波、放 大和整形后进入控制电路20;由控制电路20产生控制信号，对本地飞秒激光器3的脉冲重复 频率f'进行反馈控制，使得参考信号和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定，亦即：
[0045] Sref = Σ nEref ( t-nT-Tdelay ) ( 8 )
[0046] 进而，针对不同功率的输入信号Sin，输出信号Snut的光功率为可调的常数，本实施 例中设置P?t = iw，是。w= l〇6W;:且W阿秒量级的阿伦方差保留了原信号时域信息，亦即：
[0047] Sout=XnEout(t-nT-Tdelay) (9)
【主权项】
1. 基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法，其特征在于:该方法步骤如下： a、 从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号;本地飞秒激光器(3) 发出的飞秒激光脉冲序列进入分光光路(4)后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号， 另一束功率较弱作为参考信号； b、 步骤a中的参考信号与输入信号汇合后进入平衡光电探测单元（1)，先后通过两个周 期性极化晶体（1〇、14)，并相应产生两个波长减半的二次谐波信号，进而利用双色镜（12、 16)实现原信号与二次谐波的分离;两个二次谐波信号分别由两个光电探测器(21、17)探测 后转化为电信号相减； c、 步骤b中减法器（19)的输出信号作为反馈信号，经过整形电路（18)的滤波、放大和整 形后，进入控制电路(20)对本地飞秒激光器(3)的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号 和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。2. -种基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大装置，其特征在于：它由本地飞秒 激光器(3)、平衡光电探测单元（1)、控制单元(2)和分光光路(4)组成;远端和本地飞秒激光 器(3)发射的激光分别射入分光光路(4)的两个输入端;分光光路(4)的两个输出端分别指 向远端和平衡光电探测单元(1)的输入端;平衡光电探测单元（1)的输出端连接到控制单元 (2)的输入端;控制单元(2)的输出端连接到本地飞秒激光器(3); 所述分光光路(4)的结构是:远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器(5)、偏振 片(6)和偏振分光镜(7)后进入一号光隔离器(8)的输入端;本地飞秒激光器(3)发出的激光 经过分光镜(22)后分为两束，一束经过四分之一波片(23)和二号扩束准直器(24)后射向远 端，另一束经过二号光隔离器(25)和偏振分光镜(7)后进入一号光隔离器(8)的输入端； 所述平衡光电探测单元（1)的结构是：一号光隔离器（8)输出的光信号经过一号透镜 (9)、一号周期性极化晶体(10)和二号透镜（11)后射向一号双色镜（12);-号双色镜（12)的 反射光射入一号光电探测器(21)的输入端，一号双色镜（12)的透射光经过三号透镜（13)、 二号周期性极化晶体(14)和四号透镜（15)后射向二号双色镜（16);二号双色镜（16)的反射 光射入二号光电探测器（17)的输入端，二号双色镜（16)的透射光直接射出系统;一号光电 探测器(21)和二号光电探测器（17)的输出端连接至减法器（19)的输入端;减法器（19)的输 出端连接至整形电路(18)的输入端。3. 根据权利要求2所述的基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大装置，其特征在 于:所述一号周期性极化晶体(10)和二号周期性极化晶体(14)采用的非线性光学材料为碘 酸锂。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H01S3/098, H01S3/13, H01S3/16
【公开号】CN105490159
【申请号】CN201610084898
【发明人】郭佳豪, 谭久彬
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月6日
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