基于双路声光干涉的激光脉冲重频超高速分频方法与流程

1.本发明属于脉冲激光调控技术领域，具体涉及一种对周期光脉冲实现高速分频和相位调控的方法。


背景技术：

2.基于kerr非线性透镜效应等被动锁模原理的超快脉冲技术极大地增强了人类探究超短时间尺度下及超强光场下物质运动规律的能力、及相应非线性光学物质调控的能力。被动锁模原理要求超快激光输出必须是以f
rep
＝c/l0为重频的脉冲串。这里c是光速，l0是激光腔的等效长度。对于常规超快激光，l0在米量级，f
rep
在100mhz量级。特殊运用的锁模激光重频可高达ghz。为适应不同时间尺度脉冲光运用的需求，并实现对原子分子等体系的长时间相干调控，人们常常希望实现对f
rep
的分频或者倍频，并调控相继脉冲的相对相位。在脉冲分频方面最简单的例子是在脉冲数j是m的整数倍时，将脉冲a
j
切换到k
out
输出方向中，从而将激光重频从f
rep
降低到f
r
′
ep
＝f
rep
/m。目前实现脉冲重频降频的标准方法是利用普克尔斯盒(pockelscell)电光调制(eom)，及基于布拉格衍射的声光调制(aom)器件。但经研究发现，上述光脉冲分频方法还至少存在如下缺点：
3.1、基于电光调制原理的pockels cell需要数百至千伏的高压，其高频波形驱动受各类损耗限制，很难超过10mhz驱动频率，实际运用中仅能从高重频的入射脉冲中拾取出f
′
rep
～1mhz量级的重频输出脉冲，限制了锁模激光的应用范围。
4.2、pockels cell的电场分布很难完全均匀，对毫米以上入射光斑的调制存在空间不均匀性，影响输出光斑质量。
5.3、pockels cell通过调制透射光偏振，并结合偏振分束可实现脉冲光重频降频，此过程是脉冲光的强度调制，无法同时获得透射光的相位调制。而如果运用额外eom实现相位调制，其精度也受到晶体电场飘动，不均匀性，电压不稳定性等因素的影响，难以保持精确。
6.4、声光调制aom由于功耗低可以在不受占空比限制的条件下进行任意脉冲选取，还能通过控制单个脉冲相位来稳定频率梳的载波包络相位，然而aom的高衍射效率是基于布拉格衍射条件的，要求严格的相位匹配，对入射光的准直性和入射角度要求高，从而限制了aom的工作带宽。商用aom的声场设计常常是高效衍射和较大工作带宽的妥协，其结果是最佳效率r(80％到90％)和工作带宽δf
s
(声波频率附近
±
20％)都并不完全理想。
7.5、aom的调制带宽由光斑内声波参数的更新速度决定。对准直光束来说，该调制带宽可以写为δω
m
＝δk
×
v
s
，其中δk是入射准直光束的波矢展宽，而v
s
是声波速度。为实现数十mhz声光调制带宽，人们通常需要对入射光束进行聚焦，而这样做会进一步破坏布拉格衍射条件，导致衍射效率r大幅降低以及波前畸变。同时光束聚焦降低了aom的功率阈值，限制了此类调制器的大功率激光运用。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提出一种基于双路声光干涉的脉冲激光重频超高速分频方法，以实现对高达ghz重频的大功率锁模脉冲光输出进行高速、高效、相位可调的相干分频，并可迭代运用以获得极高相邻脉冲强度抑制比的多路输出，进而通过对多路降频输出脉冲进行常规的光学操控及脉冲整形，可拓展高重频超快激光在激光冷却、原子干涉、非线性量子调控，精密测量等领域获得重要技术应用。
9.本发明提出的基于双路声光干涉的脉冲激光超高速重频分频方法，是通过4
‑
f成像系统对相向传播的aom声波场精确成像，通过声光衍射振幅的干涉效应实现输出衍射级次的快速切换，从而将锁模激光器的脉冲序列交替发送至透射和衍射方向，同时运用双路声光干涉，通过降低单个aom调制强度来抑制高阶衍射级次的影响，在双模近似下运用双aom声光干涉相消相长的特性，实现近理想衍射效率下的透射和衍射的高速切换；以双aom的平均相位调节衍射脉冲的光学相位，实现对输出重频达数ghz的大功率激光脉冲实现高效、高反衬度、相位可控的分频；具体步骤如下：
10.(1)双声光调制器分别记为aom1,aom2。利用基于布拉格衍射的第一个调制器aom1单频声光调制，调制频率为f
s
,正一级衍射的光学相位为对入射锁模激光束进行衍射，输出为透射光束及衍射光束；
11.(2)利用焦距为f的双透镜4
‑
f透镜组，以声光效应中声波与光束作用中心为物面，对透射光束及衍射光束精密成像于第二个调制器aom2中心；
12.(3)利用aom2对透射光束及衍射光束进行二次同频声光调制，调制频率同为f
s
,负一级衍射的光学相位为最终输出两路调制后光束；
13.(4)在上述过程中，两次声光效应调制波在成像后互为相反传播，设其初始相对相位利用其相对相位的高速演化，实现透射和衍射效率在2f
s
频率下的高速切换。
14.(5)记aom1和aom2的衍射效率为r1，r2。在双aom系统中降低单个调制器驱动强度到常规aom运用中驱动强度的一半，使高阶衍射被有效抑制，从而允许双aom系统获得单个驱动器无法获得的高衍射效率。具体来说，当r1＝r2＝0.5,和0时，透射效率和衍射效率分别接近100％；
15.(6)通过程序控制调节aom1和aom2初始相对相位实现对重频为f
rep
＝4f
s
/(2n 1)(n为整数)的锁模脉冲激光实现透射和衍射之间的高效切换,进而在透射和衍射光路中同时实现入射激光的f
′
rep
＝f
rep
/2重频分频，相邻脉冲抑制比可达15
‑
20db。注意到该分频过程无需聚焦激光，因此可以对大功率激光以大入射光斑在晶体光损伤阈值下进行。
16.(7)通过程控调节aom1和aom2平均相位可高精确实现对衍射光路脉冲的相位控制。
17.(8)以很小的功率损失为代价，对透射和衍射光路再次运用以f
s
驱动的双路干涉系统，从而提高子脉冲抑制比例到40db或以上。
18.(9)以很小的功率损失为代价，对透射和衍射光路再次迭代运用以f
′
s
驱动的双路干涉系统，并由f
rep
/2＝4f
′
s
/(2n
′
1)，从而对原初f
rep
分频致f
″
rep
＝f
rep
/4。该分频过程可以一直迭代到mhz级重频,且完全由高效低带宽、常规的单aom控制。
19.本发明中，双路声光干涉方案的双透镜4
‑
f系统保证了干涉方案相对相位f系统保证了干涉方案相对相位的短时和长期稳定性。具体来说，本方案中衍射和透射光路完全共享所有光学元件，且通过选择合适的短焦距(f在10厘米以下)消球差透镜，光路相对位移不超过1毫米，环境扰动导致的光程变化成为共模噪声，不对系统分频造成影响。
20.本发明中，声光调制的射频信号频率、振幅及相位由编程控制驱动，并对其中一路输出光束利用带宽大于f
rep
的高速探测器进行实时监测，根据相邻脉冲抑制比可实时优化射频信号的振幅及相位。
21.本发明中，基于时间反演对称性，对于反向输入的两束低频脉冲激光，也可高效实现低重频激光的重频倍频。
22.本发明还提供基于上述光脉冲分频方法的基于双路声光干涉的激光脉冲重频超高速分频系统，如图1所示，系统主要包括：可同步射频信号编码模块，双调制器声光调制模块，脉冲光波形监测模块。
23.所述可同步射频信号编码模块，其时钟信号由常规锁相的方法和待分频锁模激光的重频信号锁定，继而使用者可设定射频信号频率为n为使得f
s
频率适用于声光调制的合理整数，例如，如果希望对f
rep
＝400mhz重频的激光分频，可取n＝0,f
s
＝100mhz。编写射频信号1,2的幅值及相位。编写好的射频信号被整合放大后以正弦波的形式传至声光调制模块。
24.所述双调制器声光调制模块，由两个相同型号、几何尺寸接近的声光调制器(aom
1，2
)及双透镜4
‑
f光学透镜系统构成。其中，声光调制器将射频信号转化为相应频率、强度及相位的声波(晶体密度调制波)，对入射的脉冲激光产生声光衍射。双透镜4
‑
f光学透镜系统由消色差透镜l
1，2
构成，将aom1的衍射光束和透射光束以m＝1放大率精确成像到声波反向传播的aom2，形成双路干涉。其中衍射光路和透射光路的空间距离由aom衍射角及透镜的焦距f决定，通过选取较短的焦距，如f＝10厘米左右，可在双路声光干涉中获得极佳的相对相位稳定性。
25.所述脉冲光波形监测模块，包括高速光电探测器模块(f
rep
以上带宽)以及电荷耦合器件(ccd)；高速光电探测器模块对两路光束的干涉衬比度以及相邻脉冲的抑制比进行实时监测；电荷耦合器件(ccd)实时监测不同射频参数下的同步脉冲光输出空间模式特征。
26.在抗噪方面，本发明所有子脉冲共享同一套光学系统，因而元件相对的振动和平动漂移
‑
这也是通常光学调制设计中最容易造成相位误差的原因
‑
并不会改变各个子光路的光程差或相位差，因而该系统拥有内禀的短期(数小时至数天)的相位稳定。通过监测系统检测低频噪音导致的相位漂移，进而在射频信号中进行补偿，可进一步保持该系统的长期相位稳定性。
27.本发明与现有技术的主要区别在于双路声光干涉装置打破了传统方法(电光调制器或单个声光调制器)在调制效率，切换速度，工作频率方面的限制，通过4
‑
f系统的精确成像以及双aom振幅和相位的精确调控，可在弱驱动条件下实现衍射级次的快速切换，对大功
率同步锁模激光脉冲进行快速高效、相位精确可控的重频分频。由上述技术方案可以看出，基于双路声光干涉的激光脉冲重频超高速分频方法具有以下的优越性：
28.(1)不同于单个aom(r＝80
‑
90％)的最佳衍射效率，基于弱驱动的双路声光干涉可抑制高阶衍射损失，在获得类似控制带宽δω
m
的同时，系统整体最佳衍射效率接近100％。
29.(2)经4
‑
f成像系统后，以f
s
频率驱动的声光调制器声波互为相反传播，基于相对相位的高速演化，实现透射/衍射输出以2f
s
为频率的高速切换，可对重频为f
rep
＝4f
s
/(2n 1)，n为整数的激光实现f
′
rep
＝f
rep
/2分频。而不同于传统pockels cell和单个aom分频方法的是：
30.(2.1)由于最大透射率及最大衍射率均接近100％,最小透射率及最小衍射率均接近0，分频可同时在透射和衍射光路中实现，子脉冲抑制比例可达15
‑
20db。
31.(2.3)由于均接近100％,可以以很小的功率损失代价，对透射和衍射光路再次迭代运用以f
s
驱动的双路干涉系统，从而提高子脉冲抑制比例到40db以上。
32.(2.3)由于均接近100％,可以以很小的功率损失代价，对透射和衍射光路再次迭代运用以f
′
s
驱动的双路干涉系统，并由f
rep
/2＝4f
′
s
/(2n
′
1)，从而对原初f
rep
分频致f
″
rep
＝f
rep
/4。该分频过程可以一直迭代到mhz级重频，然后完全由高效的低带宽单aom控制。
33.(2.4)对于衍射光路，可以通过调节射频相位实现在pockels cell方案中难以实现的对衍射光的高速精密相位调节。
34.(2.5)通过运用f
s
＞250mhz声光调制，可对f
rep
＞1ghz的高重频激光分频。由于上述特点(1)，本方案至少可以运用到f
s
≈500mhz仍然保持高效率，从而可实现对2ghz甚至更高重频的激光分频。
35.(3)本发明的分频机制是双光路声光干涉，不牵涉到传统声光调制中的调制带宽δω
m
限制，无需聚焦光斑，因此可以用于对高功率激光实现大光斑，低光强分频，而无需担心对晶体造成光学损伤。
36.(4)本发明系统所有子光路共享了完全相同的光学元件，相对相位对振动噪音有优越的抵抗力，用于卓越的短期和长期相位稳定性。
37.本发明可用于对锁模激光器输入的高频光脉冲序列进行快速高效的相干分频，其脉冲拾取效率控制可通过精确调节射频振幅、相位来实现。本发明是锁模激光高频调制技术的重要拓展，可推动高重频超快激光在激光冷却、原子干涉、非线性量子调控，精密测量等领域的重要应用。
附图说明
38.图1基于双路声光干涉的激光脉冲重频超高速分频系统的示意图。
39.图2展示了双aom系统最优条件下(r
1，2
≡|r
1，2
|2≈0.5)透射效率和衍射效率的含时演化测量。其中，(a)和(b)为锁模脉冲序列测量数据(通过同步皮秒锁模激光注入测得)，
(c)和(d)为含时透射效率和衍射效率测量数据(通过连续激光注入测得)。
40.图3为改变aom1，aom2相对相位至时，透射/衍射通道的光斑强度测量(通过同步皮秒锁模激光注入测得)。
具体实施方式
41.本发明以远优于传统单aom聚焦光调制的效率，对大入射光斑脉冲激光实现ghz以上的重频分频以及精确的相位调控。本发明运用双路声光干涉，通过降低单个aom调制强度来抑制高阶衍射级次的影响，在双模近似下运用双aom声光干涉相消相长的特性，实现近理想衍射效率下的透射和衍射的高速切换。本发明的关键技术是运用双透镜4f光学系统对双aom的衍射光路实现相位稳定的相干模式匹配。在双aom声光干涉的初步演示实验中，在衍射(透射)级中获得高达的光通过效率的同时也获得的光通过效率的同时也获得的相邻脉冲强度抑制，实现了对80mhz重频锁模激光的高效分频。通过选择更加高效的单个aom,该复合效率可以进一步提高到接近100％。另一方面，如果将f
s
提高到500mhz，便可实现对2ghz重频的激光分频。进一步，如果将双aom系统迭代使用两次，即可将衍射或透射光路的相邻脉冲抑制比提高到30
‑
40db。
42.以如图1所示的基于双路声光干涉的激光脉冲重频超高速分频系统为例，进行实验测试。实验中，声光调制器的射频信号频率为100mhz，声速v
s
＝4260m/s；将连续光(λ＝795nm)或脉冲激光(λ＝795nm，f
rep
＝80mhz,半高脉宽τ≈11ps)以布拉格条件入射aom1，衍射光和透射光经4
‑
f消色差透镜(f＝10cm)组精确成像到aom2后进行二次衍射。降低单个aom调制强度来抑制高阶耦合，每个aom都可由参数化的反射系数和透射系数(t
i
)组成的2
×
2矩阵描述。通过调节单个aom的对同步锁模脉冲激光实现透射和衍射的高效切换,进而在透射和衍射光路中同时实现入射激光的f
′
rep
＝f
rep
/2重频分频，并利用高速探测器对单次声光衍射效率及透射效率|r
i
|2、|t
i
|2、双aom系统最大衍射效率及透射效率进行测量，并根据实际测量结果对aom的振幅和相位进行实时优化，并利用ccd观测到的脉冲激光输出空间模式特征对双aom系统进行细致分析。
43.图2中的(c)和(d)展示了最优条件下连续激光测量随时间变化的透射效率和衍射效率，实验测得的单次声光最大衍射效率只能达到80％左右，而双aom系统的衍射(透射)通道的最大干涉相长效率相应的干涉相消可以达到基于上述测量结果，考虑复合aom系统也可以作为脉冲拾取器，将80mhz重频锁模脉冲激光沿相同光路入射,通过程序精确控制相对相位可使得重频f
rep
＝80mhz的脉冲交替输出到衍射通道和透射通道，得到重频的输出脉冲序列，如图(a)和(b)所示。考虑5％的接入损耗，衍射(透射)通道的脉冲拾取效率为相邻脉冲的衬比度高达50∶1(30∶1)，这一实验结果验证了本发明可以实现对高重频的锁模脉冲光输出进行高速、高衬比度、相位可调相干分频的优势。
44.图3显示了ccd测量的不同相对相位条件下的测量结果。具体来说，将aom驱动频率设置成f
s
＝80mhz，复合aom系统的大空间带宽特性使得我们可以在不调整光学路径的情况下，直接观察衍射(透射)通道的输出光斑模式特征，而不是将80mhz的锁模激光序列交替输出到两条通道。通过调节两个aom的相对相位，获得了衍射效率的测量结果。当时，衍射/透射通道干涉相消后的激光输出非常微弱，必须将相机曝光时间从20μs增加到5ms才能看到残留的光斑形状。这些残余特征可用于精细调节脉冲拾取效率及相邻脉冲的抑制比。