專利名稱：基于光纖薩格奈克環(huán)的飛秒脈沖信噪比提升裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于光纖薩格奈克環(huán)的飛秒脈沖信噪比提升裝置及方法。
背景技術：
近年來，隨著光學參量啁啾脈沖放大技術(OPCPA)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，超短超強脈沖激光技術的研究實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，美國勞侖斯.利佛莫爾實驗室(LLNL)、日本大阪大學激光工程研究所(ILE)、英國盧瑟福實驗室(RAL)、法國里梅爾實驗室(Limeil)等都把這一技術與用于激光核聚變的高功率固體激光器相耦合，形成了全新的一代超短超強脈沖固體激光器，所獲得的脈沖寬度一般為數(shù)十飛秒 數(shù)百飛秒，輸出功率大多高于100TW，甚至超過1PW，聚焦功率密度高達IO19 1022W/cm2。這樣的功率密度創(chuàng)造了實驗室中前所未有的強電場、強磁場、高壓強和高溫度等極端物理條件，為強場物理和高能密度物理等許多領域的研究提供了強有力的工具，為科學家們探索新現(xiàn)象、新規(guī)律和可能的應用提供了關鍵技術基礎和支撐。同時，超短超強脈沖激光技術的發(fā)展打開了許多與超強激光相融合的交叉學科和備受科學界關注的前沿領域，如ICF快點火、高能物理、高強度X射線輻照源、粒子加速、產(chǎn)生激光等離子體、產(chǎn)生中子、產(chǎn)生高次諧波、阿秒物理、天體物理等，給科學家們帶來了未曾想到的一些新奇物理現(xiàn)象。然而，隨著超短超強脈沖峰值功率的增加，強場物理實驗對脈沖信噪比的要求也越來越高，尤其是當超短超強脈沖激光用于與物質相互作用有關的研究領域中時，其關鍵技術難題就是信噪比不高和預脈沖的存在。信噪比是指激光主脈沖峰值強度和預脈沖峰值強度或放大的自發(fā)輻射強度的比值，已經(jīng)成為高功率激光系統(tǒng)最重要的參數(shù)之一，IO12 IO15量級的信噪比也已成為超高功率大型激光裝置(拍瓦和艾瓦裝置等)的重要指標。目前，一般的超短超強激光系統(tǒng)的信噪比都在IO6 IO8量級，從而使放大的自發(fā)輻射或預脈沖的強度高達1014W/cm2，超過了大多數(shù)物質的電離閾值(IOic1-1O11W/^!!!2)，這樣在主脈沖到達之前自發(fā)輻射和預脈沖就已經(jīng)改變了原始的實驗條件(如產(chǎn)生等離子體、破壞目標物等)，從而影響作用 過程和改變作用機制，對實驗結果和物理現(xiàn)象的分析產(chǎn)生重大影響。現(xiàn)在超短超強脈沖激光系統(tǒng)的信噪比問題并沒有得到很好的解決，已成為制約ICF快點火等強場物理研究領域發(fā)展的瓶頸，影響著超短超強激光系統(tǒng)的總體性設計，是超短超強激光系統(tǒng)急需突破的關鍵核心技術之一。因此，探索全新的信噪比提升新方法和新技術就顯得尤為重要。

發(fā)明內容
為了解決超短超強脈沖激光系統(tǒng)中的信噪比問題，本發(fā)明提供了一種基于光纖Sagnac環(huán)提高飛秒脈脈沖信噪比的裝置及方法，本發(fā)明原理簡單，結構緊湊，調試方便。本發(fā)明的技術解決方案是:基于光纖薩格奈克環(huán)的飛秒脈沖信噪比提升裝置，其特殊之處在于:包括耦合器I和偏振控制器2,所述稱合器I的第一輸入端11連接有輸入光纖12,所述稱合器I的第二輸入端41連接有輸出光纖42,所述f禹合器I的第一輸出端21連接有第一光纖23,所述率禹合器I的第二輸出端31連接有第二光纖33,所述第一光纖23、第二光纖33以及I禹合器I圍成封閉環(huán)，所述偏振控制器2設置在封閉環(huán)上。上述偏振控制器2設置在第一光纖和第二光纖的正中間。裝置進行飛秒脈沖信噪比提升方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:I飛秒脈沖通過輸入光纖進入耦合器；2飛秒脈沖經(jīng)過耦合器后分為沿相反方向傳播的第一路光22和第二路光32:所述第一路光從第一輸出端輸出，并沿第一光纖傳輸，經(jīng)過偏振控制器、第二光纖繞封閉環(huán)一周通過第二輸出端進入耦合器；同時第二路光從第二輸出端輸出，并沿第二光纖傳輸，經(jīng)過偏振控制器、第一光纖繞封閉環(huán)一周通過第一輸出端進入稱合器；3第一路光和第二路光在稱合器中發(fā)生干涉并從稱合器的第二輸入端輸出光脈沖，并沿輸出光纖傳播。本發(fā)明的優(yōu)點是:1、本發(fā)明采用光纖Sagnac環(huán)提升飛秒脈沖信噪比達4個量級。2、能量損失小:本發(fā)明通過控制非線性相移和偏振可以實現(xiàn)高的轉換效率。3、較好的光束質量:本發(fā)明米用全光纖結構,使得輸出光具有較好的光束質量。4、輸出脈沖時域波形良好，本發(fā)明的輸出光脈沖和輸入的脈沖波形相似，無畸變。

5、結構簡單，方便實用，成本低，本發(fā)明整個裝置采用的光纖、耦合器和偏振控制器等三中光學器件，容易采購，容易安裝。


圖1為本發(fā)明的原理框圖；圖2為本發(fā)明的結構示意圖；圖3為本發(fā)明的輸入和輸出飛秒脈沖波形圖；圖4為本發(fā)明的經(jīng)過光纖Sagnac環(huán)(薩格奈克環(huán))后的輸出飛秒脈沖信噪比圖。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明提供了基于光柵Sagnac環(huán)的信噪比提升系統(tǒng)的原理圖。將飛秒脈沖注入到基于Sagnac環(huán)的信噪比提升裝置中，提升信噪比后，注入到信噪比測量儀(Sequoia 1000)中測量輸出脈沖的信噪比。參見圖2，本發(fā)明提供了基于光纖Sagnac環(huán)的非線性光學開關提升飛秒脈沖信噪比提升裝置，包括耦合器I和偏振控制器2，耦合器I的第一輸入端11連接有輸入光纖12，率禹合器I的第二輸入端41連接有輸出光纖42, f禹合器I的第一輸出端21連接有第一光纖23, f禹合器I的第二輸出端31連接有第二光纖33,所述第一光纖23、第二光纖33以及I禹合器I圍成封閉環(huán)，偏振控制器2設置在封閉環(huán)上，一般為了使兩路光的光程相等，將偏振控制器2設置在第一光纖和第二光纖的正中間，也就是第一光纖和第二光線的接頭處。原理一種基于光纖Sagnac環(huán)的非線性光學開關提升飛秒脈沖信噪比的技術，采用光纖作為非線性介質，當激光器輸出的飛秒脈沖在光纖中傳播時產(chǎn)生非線性相移，通過控制偏振和非線性相移的大小，阻攔脈沖中的低強度成分(預脈沖和噪聲)，使脈沖中較強的成分通過(主脈沖)，輸入信號光經(jīng)過稱合器被分成沿相反方向傳播的兩束光第一路光22和第一路光32，在封閉環(huán)中分別傳播一周后經(jīng)過相同的傳輸距離，通過偏振控制器控制它們的偏振，在光纖稱合器中發(fā)生干涉，最后經(jīng)稱合器的第二輸入端輸出光脈沖(透射光)，一般米用光纖的非線性折射率系數(shù)為2X10_19m2/W，長度為24m。參見圖3，為經(jīng)過光纖Sagnac環(huán)后的輸出波形圖，輸入光脈沖的脈寬為500fs，輸出脈沖波形仍為高斯型分布，脈寬約為310fs。參見圖4，經(jīng)過光纖Sagnac環(huán)后輸出飛秒脈沖的信噪比。利用光纖Sagnac環(huán)提升飛秒脈沖的信噪比，采用歸一化的對數(shù)坐標表示輸入脈沖和輸出脈沖的信噪比情況，主脈沖寬度為500fs，預脈沖在主脈沖前面的2.5ps處，輸入脈沖的信噪比為1(Γ2，經(jīng)過光纖Sagnac環(huán)后預脈沖的強度由原來的10_2降到10_6，預脈沖的強度降低了 4個數(shù)量級。因此，采用基于光纖Sagnac環(huán)可以 將飛秒脈沖的信噪比提升4個數(shù)量級。
權利要求
1.基于光纖薩格奈克環(huán)的飛秒脈沖信噪比提升裝置，其特征在于:包括耦合器(I)和偏振控制器(2)，所述耦合器(I)的第一輸入端(11)連接有輸入光纖(12)，所述耦合器(I)的第二輸入端(41)連接有輸出光纖(42),所述f禹合器(I)的第一輸出端(21)連接有第一光纖(23),所述f禹合器(I)的第二輸出端(31)連接有第二光纖(33),所述第一光纖(23)、第二光纖(33)以及耦合器(I)圍成封閉環(huán)，所述偏振控制器(2)設置在封閉環(huán)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖薩格奈克環(huán)的飛秒脈沖信噪比提升裝置，其特征在于:所述偏振控制器(2)設置在第一光纖和第二光纖的正中間。
3.權利要求1所述裝置進行飛秒脈沖信噪比提升方法，其特征在于:包括以下步驟: I飛秒脈沖通過輸入光纖進入耦合器； 2飛秒脈沖經(jīng)過耦合器后分為沿相反方向傳播的第一路光(22)和第二路光(32):所述第一路光從第一輸出端輸出，并沿第一光纖傳輸,經(jīng)過偏振控制器、第二光纖繞封閉環(huán)一周通過第二輸出端進入耦合器；同時第二路光從第二輸出端輸出，并沿第二光纖傳輸，經(jīng)過偏振控制器、第一光纖繞封閉環(huán)一周通過第一輸出端進入稱合器； 3第一路光和第二路光在稱合器中發(fā)生干涉并從稱合器的第二輸入端輸出光脈沖,并沿輸出光纖 傳播。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于光纖薩格奈克環(huán)的飛秒脈沖信噪比提升裝置及方法，包括耦合器(1)和偏振控制器(2)，所述耦合器(1)的第一輸入端(11)連接有輸入光纖(12)，所述耦合器(1)的第二輸入端(41)連接有輸出光纖(42)，所述耦合器(1)的第一輸出端(21)連接有第一光纖(23)，所述耦合器(1)的第二輸出端(31)連接有第二光纖(33)，所述第一光纖(23)、第二光纖(33)以及耦合器(1)圍成封閉環(huán)，所述偏振控制器(2)設置在封閉環(huán)上。本發(fā)明解決了超短超強脈沖激光系統(tǒng)中的信噪比問題，本發(fā)明具有原理簡單，結構緊湊，調試方便。
文檔編號G02F1/35GK103186009SQ201110445400
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權日2011年12月27日
發(fā)明者劉紅軍, 孫啟兵, 黃楠, 趙衛(wèi) 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所