一种超快激光输出脉冲时间调控的方法和装置

1.本发明涉及激光领域，具体涉及一种超快激光输出脉冲时间调控的方法和装置。


背景技术：

2.激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，其原理是原子受激辐射产生的光，原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被激发出来的光子束激光，其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好，亮度更高。当前，激光被应用到各行各业，其中超快激光，特别是飞秒激光，常用于各项实验研究中。作为一种高新技术，激光加工和强化技术越来越显示了它的优势。但是，由于激光脉冲能量在时间坐标内的不确定性，一定程度上限制了激光加工的进一步发展。
3.常见的啁啾激光脉冲放大cpa系统依次包括振荡器、展宽器、放大器组和压缩器，泵浦给放大器组提供激励能量，如图1所示，一个振荡器产生超短脉冲(脉冲宽度通常为皮秒或飞秒量级)作为种子源，经过展宽器对超短脉冲进行时间展宽后获得长脉冲(脉冲宽度为几十皮秒到纳秒量级，具体展宽后的脉冲宽度取决于最终需要放大的能量)，利用放大器组对已经展宽的长脉冲进行能量放大获得高能量脉冲，放大器组需要泵浦发出泵浦源脉冲作为放大器的激励源，高能量脉冲最后通过压缩器将脉冲的时间尺度压缩到最小(回到种子源的脉宽量级)从而获得高峰值功率的强场激光脉冲。
4.在整个cpa系统中，种子源将被展宽到百ps到ns量级，泵浦源脉冲宽度也是ns量级，放大的过程是泵浦源脉冲将放大器中的增益介质激发到激发态，然后种子源经过增益介质后受激放大。增益介质处于激发态寿命为μs量级，当种子源没有在增益介质处于激发态的时候经过增益介质，则激光不会被放大，因此需要对放大的激光和泵浦源脉冲时间同步。目前采用的方法如图2和3所示：放大器组包括khz放大器和nhz放大器，其激励源分别为khz泵浦和nhz泵浦，在展宽器与khz放大器之间设置第一选单，在khz放大器与nhz放大器之间设置第二选单，振荡器的部分输出由光电探测器接收，光电探测器连接至时钟控制器，时钟控制器分别连接至第一选单、khz泵浦、第二选单和nhz泵浦；
5.振荡器输出的种子源部分光输入到光电探测器中，光电探测器获取重复频率为mhz-百mhz的种子源脉冲电子信号，该电子信号输入到时钟控制器中，获取整个cpa系统所需的同步时钟信号：对该mhz-百mhz的种子源脉冲电子信号分频获得时钟控制器所需的khz或hz量级的输出信号，此时，分频所得的khz或hz量级的输出信号与mhz-百mhz的输入信号严格同步；此外，时钟控制器中还具有延迟模块，对分频后的khz或hz量级的输出信号提供1ms以内的延时δt，且延时精度为150ps；时钟控制器的输出信号分别为输出至第一选单的第一选单时钟信号、输出至khz泵浦的khz泵浦时钟信号、输出至第二选单的第二选单时钟信号和输出至nhz泵浦的nhz泵浦时钟信号，第一选单时钟信号和khz泵浦时钟信号为khz量级的输出信号，第二选单时钟信号和nhz泵浦时钟信号为hz量级的输出信号，以上所有信号都有延迟。这种时钟延时器有商用产品，典型产品为standford dg645或thlase iseo。
6.时钟控制器将第一选单时钟信号发送给第一选单，振荡器输出的种子源部分经展宽器后进入第一选单中，第一选单从种子源中选择出khz脉冲进入到khz放大器中，时钟控制器将khz泵浦时钟信号发送给khz泵浦，使khz泵浦输出泵浦源脉冲的时间受时钟控制器输出的khz泵浦时钟信号控制，控制khz泵浦源脉冲先于被放大的khz脉冲，从而紧挨着khz泵浦源脉冲的khz脉冲经过khz放大器获得khz脉冲放大光；khz放大器输出后的脉冲经过第二选单，时钟控制器将第二选单时钟信号发送给第二选单，第二选单将脉冲从khz重复频率降低到nhz，其中n为大于1小于10的自然数；降频到nhz的脉冲进入到nhz放大器中，时钟控制器将nhz泵浦时钟信号发送给nhz泵浦，使nhz泵浦输出泵浦源脉冲的时间受时钟控制器输出的nhz泵浦时钟信号控制，控制nhz泵浦激光脉冲先于被放大的nhz脉冲，从而紧挨着nhz泵浦源脉冲的nhz脉冲经过nhz放大器获得nhz脉冲放大光；nhz脉冲放大光进入压缩器之后对脉冲宽度压缩后获得超短超强激光。该类cpa系统已有成熟产品，例如thales公司的百tw激光，amplitude公司的百tw激光。
7.此类cpa系统中，时钟控制器输出的第0个脉冲信号的起始时刻时随意任意的。时钟选定的脉冲时刻随机选定后，cpa系统被选定放大的脉冲就被选定，输出激光脉冲时刻无法改变。用户使用激光脉冲的时候只能选择nhz脉冲输出的某个脉冲，无法控制激光脉冲输出时间到ms量级。


技术实现要素：

8.为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种超快激光输出脉冲时间调控的方法和装置，用于控制啁啾激光脉冲放大cpa系统的激光脉冲输出时间。
9.本发明的一个目的在于提出一种超快激光输出脉冲时间调控的装置。
10.本发明的超快激光输出脉冲时间调控的装置包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第一时钟控制器、第二时钟控制器和外部触发；其中，振荡器的部分输出连接至第一光电探测器，第一光电探测器连接至第一时钟控制器，第一时钟控制器分别连接至第一选单和khz泵浦；khz放大器的部分输出连接至第二光电探测器，第二光电探测器连接至第二时钟控制器，第二时钟控制器分别连接至第二选单和nhz泵浦；外部触发连接至第二时钟控制器；
11.振荡器输出重复频率为mhz-百mhz的超短激光脉冲作为种子源，种子源的一部分输入到第一光电探测器中，剩余的种子源进入展宽器；种子源被展宽器在时域上展宽后获得长脉冲；展宽后获得的长脉冲进入第一选单中，第一选单将重复频率从mhz量级降低到khz量级；然后进入khz放大器中对种子源进行放大，khz放大器的激励源为khz泵浦；khz放大器输出的khz脉冲放大光的一部分被第二光电探测器接收，剩余的khz脉冲放大光进入nhz放大器中进行放大，nhz放大器的激励源为nhz泵浦；nhz放大器输出的nhz脉冲放大光进一步进入压缩器压缩后获得超短脉冲；
12.第一光电探测器接收种子源的一部分，获取重复频率为mhz-百mhz的第一探测器信号，第一探测器信号输入到第一时钟控制器中，获取cpa系统中khz放大器及之前部分所需的同步时钟信号：第一时钟控制器对mhz-百mhz的第一探测器信号分频获得所需的khz量级的输出信号，此时，分频所得的khz量级的输出信号与mhz-百mhz的输入信号严格同步；第一时钟控制器的输出信号包括输出至第一选单的第一选单时钟信号和输出至khz泵浦的
khz泵浦时钟信号，第一选单时钟信号和khz泵浦时钟信号的重复频率均为khz量级；
13.第二光电探测器接收khz脉冲放大光的一部分，获取重复频率为khz量级的第二探测器信号，第二探测器信号输入到第二时钟控制器中，获取cpa系统中khz放大器之后部分所需的同步时钟信号：第二时钟控制器对第二探测器信号分频获得所需的nhz量级的输出信号，此时，分频所得的nhz量级的输出信号与第一时钟控制器的mhz-百mhz的输入信号和第二时钟控制器接收的khz量级的第二探测器信号严格同步；第二时钟控制器的输出信号包括输出至第二选单的第二选单时钟信号和输出至nhz泵浦的nhz泵浦时钟信号，第二选单时钟信号和nhz泵浦时钟信号的重复频率均为nhz量级，n为1≤n＜10的自然数；并且，第二时钟控制器还连接外部触发，在外部触发向第二时钟控制器输入外部触发信号时，第二时钟控制器输出的初始时间为第二探测器信号中紧挨着外部触发信号后的第一个khz脉冲，即外部触发信号后的下一个khz脉冲为nhz量级的输出信号的第一个脉冲信号，也就是当第二时钟控制器的延迟模块不对分频后的nhz量级的输出信号提供延迟，此时输出的nhz量级的输出信号与外部触发信号后的下一个第二探测器信号为同一时刻；
14.第二时钟控制器中还具有延迟模块，对分频后的nhz量级的输出信号提供1ms以内的延时δt，且延时精度为150ps；当第二时钟控制器没有外部触发信号输入时，第二时钟控制器输出的第0个脉冲信号的起始时刻是随意任意的；当第二时钟控制器有外部触发信号输入时，第二时钟控制器输出的第0个脉冲信号的起始时刻由外部触发信号控制，为外部触发信号后输入的第一个脉冲信号的时刻；
15.第一时钟控制器将第一选单时钟信号发送给第一选单，振荡器输出的种子源的一部分经展宽器后进入第一选单中，第一选单从种子源中选择出khz脉冲进入到khz放大器中，第一时钟控制器将khz泵浦时钟信号发送给khz泵浦，使khz泵浦输出泵浦源脉冲的时间受第一时钟控制器输出的khz泵浦时钟信号控制，控制khz泵浦源脉冲先于被放大的khz脉冲，从而紧挨着khz泵浦源脉冲的khz脉冲经过khz放大器获得khz脉冲放大光；
16.khz放大器输出后的khz脉冲放大光经过第二选单，第二时钟控制器将第二选单时钟信号发送给第二选单，第二选单将khz脉冲放大光的重复频率降低到nhz，得到nhz脉冲，其中n为1≤n＜10的自然数；降频后的nhz脉冲进入到nhz放大器中，第二时钟控制器将nhz泵浦时钟信号发送给nhz泵浦，使nhz泵浦输出泵浦源脉冲的时间受第二时钟控制器输出的nhz泵浦时钟信号控制，控制nhz泵浦激光脉冲先于被放大的nhz脉冲，从而紧挨着nhz泵浦源脉冲的nhz脉冲经过nhz放大器获得nhz脉冲放大光；nhz脉冲放大光进入压缩器之后对脉冲宽度压缩后获得超短超强激光；
17.当外部触发给第二时钟控制器提供外部触发信号时，此时，第二时钟控制器将外部触发信号之后紧邻的第二探测器信号作为nhz量级的输出信号的起始信号，输出的nhz量级的输出信号对应的是外部触发信号之后紧挨着的khz脉冲作为后续放大脉冲；由于khz量级的输出信号间隔为ms，nhz量级的输出信号能够是khz量级的输出信号的任意一个，因此，nhz量级的输出信号的时间能够控制在ms量级。
18.进一步，还包括时间延迟装置，设置在外部触发与第二时钟控制器之间；外部触发提供的外部触发信号经时间延迟装置后输入至第二时钟控制器，从而通过时间延迟装置对外部触发信号加一个延时，延时的时间大于0且小于10s，延时的精度为ms，这样，对输出脉冲提供更长时间的粗控制输出。
19.本发明的另一个目的在于提出一种超快激光输出脉冲时间调控的方法。
20.本发明的超快激光输出脉冲时间调控的方法，包括以下步骤：
21.1)装置设置：
22.振荡器的部分输出连接至第一光电探测器，第一光电探测器连接至第一时钟控制器，第一时钟控制器分别连接至第一选单和khz泵浦；khz放大器的部分输出连接至第二光电探测器，第二光电探测器连接至第二时钟控制器，第二时钟控制器分别连接至第二选单和nhz泵浦；外部触发连接至第二时钟控制器；
23.2)振荡器输出重复频率为mhz-百mhz的超短激光脉冲作为种子源，种子源的一部分输入到第一光电探测器中，剩余的种子源进入展宽器；种子源被展宽器在时域上展宽后获得长脉冲；展宽后获得的长脉冲进入第一选单中，第一选单将重复频率从mhz量级降低到khz量级；然后进入khz放大器中对种子源进行放大，khz放大器的激励源为khz泵浦；khz放大器输出的khz脉冲放大光的一部分被第二光电探测器接收，剩余的khz脉冲放大光进入nhz放大器中进行放大，nhz放大器的激励源为nhz泵浦；nhz放大器输出的nhz脉冲放大光进一步进入压缩器压缩后获得超短脉冲；
24.3)第一光电探测器接收种子源的一部分，获取重复频率为mhz-百mhz的第一探测器信号，第一探测器信号输入到第一时钟控制器中，获取cpa系统中khz放大器及之前部分所需的同步时钟信号：第一时钟控制器对mhz-百mhz的第一探测器信号分频获得所需的khz量级的输出信号，此时，分频所得的khz量级的输出信号与mhz-百mhz的输入信号严格同步；第一时钟控制器的输出信号包括输出至第一选单的第一选单时钟信号和输出至khz泵浦的khz泵浦时钟信号，第一选单时钟信号和khz泵浦时钟信号的重复频率均为khz量级；
25.4)第二光电探测器接收khz脉冲放大光的一部分，获取重复频率为khz量级的第二探测器信号，第二探测器信号输入到第二时钟控制器中，获取cpa系统中khz放大器之后部分所需的同步时钟信号：第二时钟控制器对第二探测器信号分频获得所需的nhz量级的输出信号，此时，分频所得的nhz量级的输出信号与第一时钟控制器的mhz-百mhz的输入信号和第二时钟控制器接收的khz量级的第二探测器信号严格同步；第二时钟控制器的输出信号包括输出至第二选单的第二选单时钟信号和输出至nhz泵浦的nhz泵浦时钟信号，第二选单时钟信号和nhz泵浦时钟信号的重复频率均为nhz量级，n为1≤n＜10的自然数；并且，第二时钟控制器还连接外部触发，在外部触发向第二时钟控制器输入外部触发信号时，第二时钟控制器输出的初始时间为第二探测器信号中紧挨着外部触发信号后的第一个khz脉冲，即外部触发信号后的下一个khz脉冲为nhz量级的输出信号的第一个脉冲信号，也就是当第二时钟控制器的延迟模块不对分频后的nhz量级的输出信号提供延迟，此时输出的nhz量级的输出信号与外部触发信号后的下一个第二探测器信号为同一时刻；
26.5)第二时钟控制器中还具有延迟模块，对分频后的nhz量级的输出信号提供1ms以内的延时δt，且延时精度为150ps；当第二时钟控制器没有外部触发信号输入时，第二时钟控制器输出的第0个脉冲信号的起始时刻是随意任意的；当第二时钟控制器有外部触发信号输入时，第二时钟控制器输出的第0个脉冲信号的起始时刻由外部触发信号控制，为外部触发信号后输入的第一个脉冲信号的时刻；
27.6)第一时钟控制器将第一选单时钟信号发送给第一选单，振荡器输出的种子源的一部分经展宽器后进入第一选单中，第一选单从种子源中选择出khz脉冲进入到khz放大器
中，第一时钟控制器将khz泵浦时钟信号发送给khz泵浦，使khz泵浦输出泵浦源脉冲的时间受第一时钟控制器输出的khz泵浦时钟信号控制，控制khz泵浦源脉冲先于被放大的khz脉冲，从而紧挨着khz泵浦源脉冲的khz脉冲经过khz放大器获得khz脉冲放大光；
28.7)khz放大器输出后的khz脉冲放大光经过第二选单，第二时钟控制器将第二选单时钟信号发送给第二选单，第二选单将khz脉冲放大光的重复频率降低到nhz，得到nhz脉冲，其中n为1≤n＜10的自然数；降频后的nhz脉冲进入到nhz放大器中，第二时钟控制器将nhz泵浦时钟信号发送给nhz泵浦，使nhz泵浦输出泵浦源脉冲的时间受第二时钟控制器输出的nhz泵浦时钟信号控制，控制nhz泵浦激光脉冲先于被放大的nhz脉冲，从而紧挨着nhz泵浦源脉冲的nhz脉冲经过nhz放大器获得nhz脉冲放大光；nhz脉冲放大光进入压缩器之后对脉冲宽度压缩后获得超短超强激光；
29.8)当外部触发给第二时钟控制器提供外部触发信号时，此时，第二时钟控制器将外部触发信号之后紧邻的第二探测器信号作为nhz量级的输出信号的起始信号，输出的nhz量级的输出信号对应的是外部触发信号之后紧挨着的khz脉冲作为后续放大脉冲；由于khz量级的输出信号间隔为ms，nhz量级的输出信号能够是khz量级的输出信号的任意一个，因此，nhz量级的输出信号的时间能够控制在ms量级。本发明的优点：
30.本发明在激光系统中，利用khz放大器产生的激光脉冲信号作为时钟控制器的基准时钟输入，使用多个时钟控制器，得到精度为ms量级的外部信号控制激光系统出光，从而实现获得精准出光时刻的目标。
附图说明
31.图1为现有技术中cpa系统的结构框图；
32.图2为现有技术中cpa系统的激光和泵浦源脉冲时间同步控制的结构框图；
33.图3为现有技术中cpa系统的激光和泵浦源脉冲时间同步控制的脉冲时序图；
34.图4为本发明的超快激光输出脉冲时间调控的装置的实施例一的结构框图；
35.图5为本发明的超快激光输出脉冲时间调控的装置的实施例一的同步控制的脉冲时序图；
36.图6为本发明的超快激光输出脉冲时间调控的装置的实施例二的结构框图。
具体实施方式
37.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
38.实施例一
39.如图4所示，本实施例的超快激光输出脉冲时间调控的装置包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第一时钟控制器、第二时钟控制器和外部触发；其中，振荡器的部分输出连接至第一光电探测器，第一光电探测器连接至第一时钟控制器，第一时钟控制器分别连接至第一选单和khz泵浦；khz放大器的部分输出连接至第二光电探测器，第二光电探测器连接至第二时钟控制器，第二时钟控制器分别连接至第二选单和nhz泵浦；外部触发连接至第二时钟控制器.
40.振荡器输出重复频率为mhz-百mhz的超短激光脉冲作为种子源，种子源的一部分输入到第一光电探测器中，剩余的种子源进入展宽器；种子源被展宽器在时域上展宽后获
得长脉冲(脉宽长度几十皮秒到纳秒量级)；展宽后获得的长脉冲进入第一选单中，第一选单将重复频率从mhz量级降低到khz量级；然后进入khz放大器中对种子源进行放大，khz放大器的激励源为khz泵浦；khz放大器输出的khz脉冲放大光的一部分被第二光电探测器接收，剩余的khz脉冲放大光进入nhz放大器中进行放大，nhz放大器的激励源为nhz泵浦；nhz放大器输出的nhz脉冲放大光进一步进入压缩器压缩后获得超短脉冲；
41.第一光电探测器接收种子源的一部分，获取重复频率为mhz-百mhz的第一探测器信号，第一探测器信号输入到第一时钟控制器中，获取cpa系统中khz放大器及之前部分所需的同步时钟信号：第一时钟控制器对mhz-百mhz的第一探测器信号分频获得所需的khz量级的输出信号，此时，分频所得的khz量级的输出信号与mhz-百mhz的输入信号严格同步；第一时钟控制器的输出信号包括输出至第一选单的第一选单时钟信号和输出至khz泵浦的khz泵浦时钟信号，第一选单时钟信号和khz泵浦时钟信号的重复频率均为khz量级；
42.第二光电探测器接收khz脉冲放大光的一部分，获取重复频率为khz量级的第二探测器信号，第二探测器信号输入到第二时钟控制器中，获取cpa系统中khz放大器之后部分所需的同步时钟信号：第二时钟控制器对第二探测器信号分频获得所需的nhz量级的输出信号，此时，分频所得的nhz量级的输出信号与第一时钟控制器的mhz-百mhz的输入信号和第二时钟控制器接收的khz量级的第二探测器信号严格同步；第二时钟控制器的输出信号包括输出至第二选单的第二选单时钟信号和输出至nhz泵浦的nhz泵浦时钟信号，第二选单时钟信号和nhz泵浦时钟信号的重复频率均为nhz量级，n为1≤n＜10的自然数；并且，第二时钟控制器还连接外部触发，在外部触发向第二时钟控制器输入外部触发信号时，第二时钟控制器输出的初始时间为第二探测器信号中紧挨着外部触发信号后的第一个khz脉冲，即外部触发信号后的下一个khz脉冲为nhz量级的输出信号的第一个脉冲信号，也就是当第二时钟控制器的延迟模块不对分频后的nhz量级的输出信号提供延迟，此时输出的nhz量级的输出信号与外部触发信号后的下一个第二探测器信号为同一时刻；
43.第二时钟控制器中还具有延迟模块，对分频后的nhz量级的输出信号提供1ms以内的延时δt，且延时精度为150ps；当第二时钟控制器没有外部触发信号输入时，第二时钟控制器输出的第0个脉冲信号的起始时刻是随意任意的；当第二时钟控制器有外部触发信号输入时，第二时钟控制器输出的第0个脉冲信号的起始时刻由外部触发信号控制，为外部触发信号后输入的第一个脉冲信号的时刻；
44.第一时钟控制器将第一选单时钟信号发送给第一选单，振荡器输出的种子源的一部分经展宽器后进入第一选单中，第一选单从种子源中选择出khz脉冲进入到khz放大器中，第一时钟控制器将khz泵浦时钟信号发送给khz泵浦，使khz泵浦输出泵浦源脉冲的时间受第一时钟控制器输出的khz泵浦时钟信号控制，控制khz泵浦源脉冲先于被放大的khz脉冲，从而紧挨着khz泵浦源脉冲的khz脉冲经过khz放大器获得khz脉冲放大光；
45.khz放大器输出后的khz脉冲放大光经过第二选单，第二时钟控制器将第二选单时钟信号发送给第二选单，第二选单将khz脉冲放大光的重复频率降低到nhz，得到nhz脉冲，其中n为1≤n＜10的自然数，图5是重复频率降低至hz脉冲的时序，即n＝1；降频后的nhz脉冲进入到nhz放大器中，第二时钟控制器将nhz泵浦时钟信号发送给nhz泵浦，使nhz泵浦输出泵浦源脉冲的时间受第二时钟控制器输出的nhz泵浦时钟信号控制，控制nhz泵浦激光脉冲先于被放大的nhz脉冲，从而紧挨着nhz泵浦源脉冲的nhz脉冲经过nhz放大器获得nhz脉
冲放大光；nhz脉冲放大光进入压缩器之后对脉冲宽度压缩后获得超短超强激光；
46.当外部触发给第二时钟控制器提供外部触发信号时，此时，第二时钟控制器将外部触发信号之后紧邻的第二探测器信号作为nhz量级的输出信号的起始信号，输出的nhz量级的输出信号对应的是外部触发信号之后紧挨着的khz脉冲作为后续放大脉冲；由于khz量级的输出信号间隔为ms，nhz量级的输出信号能够是khz量级的输出信号的任意一个，因此，nhz量级的输出信号的时间能够控制在ms量级。
47.本实施例的同步控制的脉冲时序图如图5所示，图5中，0、1、2、3、4、5、6、7
…
1000、1001、1002、1003、1004、1005、1006、1007为激光脉冲或时钟控制器输出信号序列数。
48.实施例二
49.如图6所示，在本实施例中，还包括时间延迟装置，设置在外部触发与第二时钟控制器之间；外部触发提供的外部触发信号经时间延迟装置后输入至第二时钟控制器，从而通过时间延迟装置对外部触发信号加一个延时，延时的时间大于0且小于10s，延时的精度为ms，这样，对输出脉冲提供更长时间的粗控制输出。其他同实施例一。
50.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。