超短脉冲与任意整形纳秒长脉冲的同步装置 【技术领域】
本发明是一种实现超短脉冲与任意整形纳秒长脉冲的高精度同步装置，它既能灵活实现ns长脉冲的任意时间整形，又能实现ps或fs超短脉冲与ns整形脉冲的高精度同步关系。其优点是调节简单，结构紧凑，使用范围广。
背景技术
中心点火和快点火方法是利用高功率激光驱动器实现惯性约束核聚变(ICF)的两个重要途径。由于快点火在理论上既会降低获得聚变的激光能量，又会降低对激光精度的要求。因此，快点火方式为激光聚变点火的实现提供了一条有望实现聚变点火的可能途径。为了抑制压缩过程中产生的不稳定性，提高压缩比和能量耦合效率，降低对激光能量的要求，快点火不仅需要用特定形状的激光脉冲对聚变材料进行有效压缩，而且要求惯性约束聚变驱动器能同时输出两路时间上高精度同步的可整形压缩脉冲和超短脉冲。目前惯性约束核聚变激光驱动器的前端系统多采用基于孔径耦合带状线电脉冲(ACSL)整形装置的电脉冲整形的方法，但是由于电子电路的限制，无法形成任意形状的具有快上升沿的脉冲，也无法提供时间上高精度同步的整形压缩脉冲和超短脉冲，且不同整形电脉冲波形需要制作不同形状耦合孔的ACSL，成本高，使用范围有限。
美国LLNL实验室采用包含两块高反射镜和一个镀有部分透射膜的光楔的脉冲堆积器，使输入光产生延时再叠加合束成所需要的矩形脉冲；美国罗彻斯特大学OMEGA系统中根据类似的原理采用分光镜分束光脉冲堆积整形，它们都采用体器件，占用了很大空间，且调整较复杂，日本大阪大学曾采用多模光纤分束光脉冲堆积整形的方法，得到了较快上升沿的整形脉冲，但是用多模光纤分束器串联使用，只能提供台阶状的光脉冲而难于形成任意整形光脉冲。近几年，中物院提出了一种并联式全光纤可编程啁啾光脉冲堆积整形方法获得任意整形脉冲，虽然实现了两路时间上高精度同步的可整形压缩脉冲和超短脉冲，但是无法完全消除光脉冲堆积过程中交叠部分本身存在的干涉及其高频调制带来的系统不稳定等缺点，且不适应于不同波长的ns长脉冲与超短脉冲的高精度同步解决方案。
【发明内容】
本发明解决了上述现有技术的不足，提供了一种实现超短脉冲与任意整形纳秒长脉冲的高精度同步装置，实现时间上高精度的整形ns长脉冲和超短脉冲同步输出的同时，有效地解决了不同波长的ns整形长脉冲与超短脉冲的同步问题，具有调节简单，结构紧凑，使用范围广等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种超短脉冲与任意整形纳秒长脉冲的同步装置，特点在于其构成包括：超短脉冲发生器、纳秒脉冲发生器、第一分束器、n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置、高速光电转换器、放大器、集成波导强度调制器，上述部件的位置关系如下：超短脉冲发生器发出的超短光脉冲经所述的第一分束器分成两路光脉冲，其中第一路超短光脉冲用于直接输出，第二路超短光脉冲输入所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置整形为需要的时域波形光脉冲，然后经过高速光电转换器和放大器把光脉冲转化为具有一定幅度的与所需要的时域波形光脉冲相应的电脉冲波形，输入所述的集成波导强度调制器作为集成波导强度调制器的整形驱动信号，所述的纳秒脉冲发生器输出的纳秒光脉冲输入所述的集成波导强度调制器，在所述的集成波导强度调制器的整形驱动信号的控制整形后，输出具有所需要的特定时间整形纳秒长脉冲，与所述的第一路超短光脉冲形成具有一定延时的同步输出。
所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置由依次的线性色散器、第二分束器、n台延时控制器和n台振幅控制器串联后并联的n路控制器、和合束器构成，所述的超短光脉冲经过所述的线性色散器使超短光脉冲变为线性啁啾光脉冲，然后经过所述的第二分束器分成n束光，n束光经过各自所述的延时控制器和振幅控制器，分别调整每束光脉冲的相对延时和光脉冲的输出振幅大小，最后经过所述地合束器把n路光束合为一束，得到具有一定脉冲宽度的具有所需要的特定时域波形的光脉冲，其中n为2以上的正整数。其中：n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置根据所需的脉冲宽度来选择堆积的路数n，从而得到具有一定脉冲宽度的特定时域波形的整形光脉冲。
所述的线性色散器为一定长度的色散光纤，或光栅对或棱镜对组成的展宽器。
所述的第二分束器和合束器是结构相同的装置，是n-1级1×2光纤耦合器，或波导耦合器。
所述的振幅控制器是调光衰减器，或调光衰减镜。
所述的高速光电转换器是高速PIN管。
所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置中的线性色散器若采用色散光纤，其长度由超短脉冲锁模激光器的输出谱宽决定。
所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置中每个光路中的若采用一对尾纤为FC/PC的准直透镜耦合装置，它可以同时实现延时控制和振幅控制功能。它不仅可以用来对光路延时进行微调，而且也相当于每个光路的振幅调制器，通过调整准直透镜对的耦合来灵活地调整每路脉冲堆积振幅大小。整个n路啁啾光脉冲堆积系统相当于任意波形发生器(AWG)实现任意特定脉冲波形的时间整形。
所述的集成波导强度调制器的工作原理：
波导调制器在偏置电压的作用下，在整形电脉冲到来的前后，光脉冲透过率到达最小值，处于关闭状态，仅当整形电脉冲到达时，光脉冲才能透过波导调制器。如果忽略调制器有限的频率带宽以及调制的相位常数的话，并且将激光脉冲强度幅度归一化后，经过整形后输出的激光脉冲的时间形状由下式决定：
Iout(t)=Iin(t)sin2(π2Vshape(t)Vπ)]]>
其中：Iin(t)为波导调制器输入激光脉冲波形，Vπ为电光调制器半波电压，Vshape(t)为整形电脉冲，Iout(t)为整形后的激光脉冲。因此激光脉冲幅度和时间宽度都由整形电脉冲决定，也就是说整形电脉冲的时间特性完全决定整形ns光脉冲的时间特性。
本发明的优点在于：
1、本发明利用所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置可实现灵活的任意纳秒波形输出，同时实现ps或fs超短脉冲与ns整形脉冲的皮秒级同步。该发明克服了光脉冲堆积中的脉冲重叠部分的强度干涉问题和电脉冲任意整形方案的同步精度控制难题。
2、结合啁啾光脉冲堆积技术与电脉冲波导调制时间整形技术，根据具体需要可以实现不同波长的ns长脉冲与超短脉冲的高精度同步，扩展了其整个系统的使用范围及其同步能力。
【附图说明】
图1是超短脉冲与任意整形纳秒长脉冲的同步装置示意图。
图中：1-ps或fs超短脉冲发生器；2-分束器；3-ns长脉冲发生器；4-啁啾光脉冲堆积时域整形装置；5-高速光电转换器；6-放大器；7-集成波导强度调制器
图2是本发明n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置示意图。
图中：8-线性色散器；9-分束器；10-延时控制器；11-强度控制器；12-合束器
【具体实施方式】
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明超短脉冲与任意整形纳秒长脉冲的同步装置，由图可见，本发明超短脉冲与任意整形纳秒长脉冲的同步装置，其构成包括：超短脉冲发生器1、纳秒脉冲发生器2、第一分束器3、n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置4、高速光电转换器5、放大器6、集成波导强度调制器7，上述部件的位置关系如下：超短脉冲发生器1发出的超短光脉冲经所述的第一分束器3分成两路光脉冲，其中第一路超短光脉冲用于直接输出，第二路超短光脉冲输入所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置4整形为需要的时域波形光脉冲，然后经过高速光电转换器5和放大器6把光脉冲转化为具有一定幅度的与所需要的时域波形光脉冲相应的电脉冲波形，输入所述的集成波导强度调制器7作为集成波导强度调制器7的整形驱动信号，所述的纳秒脉冲发生器2输出的纳秒光脉冲输入所述的集成波导强度调制器7，在所述的集成波导强度调制器7的整形驱动信号的控制整形后，输出具有所需要的特定时间整形纳秒长脉冲，与所述的第一路超短光脉冲形成具有一定延时的同步输出。
所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置4的结构如图2所示，由依次的线性色散器8、第二分束器9、n台延时控制器10和n台振幅控制器11串联后并联的n路控制器、和合束器12构成，所述的超短光脉冲经过所述的线性色散器8使超短光脉冲变为线性啁啾光脉冲，然后经过所述的第二分束器9分成n束光，n为2以上的正整数，n束光分别经过各自所述的延时控制器10和振幅控制器11，分别调整每束光脉冲的相对延时和光脉冲的输出振幅大小，最后经过所述的合束器12把n路光束合为一束，得到具有一定脉冲宽度的具有所需要的特定时域波形的光脉冲。
所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置中的线性色散器7若采用色散光纤，其长度由超短脉冲锁模激光器的输出谱宽决定。
所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置中每个光路中的若采用一对尾纤为FC/PC的准直透镜耦合装置，它可以同时实现延时控制和振幅控制功能。它不仅可以用来对光路延时进行微调，而且也相当于每个光路的振幅调制器，通过调整准直透镜对的耦合来灵活地调整每路脉冲堆积振幅大小。整个n路啁啾光脉冲堆积系统相当于任意波形发生器(AWG)实现任意特定脉冲波形的时间整形。
为了尽量降低相邻脉冲叠加部分的相干干涉带来的系统不稳定性，采用线性啁啾超短脉冲进行光脉冲堆积，线性啁啾率越大，相同叠加部分的谱宽越宽，相邻脉冲间的相干效应就越小。同时由于高速光电转化器4具有滤波作用，所以啁啾脉冲叠加后的高频调制部分被抑制，可以有效地提高系统的稳定性。
所述的n路啁啾光脉冲堆积时域整形装置可以通过调整各路堆积脉冲的延时以及输出振幅大小得到所需要的不同脉宽的整形光脉冲波形。根据具体的应用能够得到平顶光脉冲，指数上升脉冲以及反高斯脉冲等多种整形光脉冲波形。结合啁啾光脉冲堆积技术与电脉冲波导调制时间整形技术，不仅能够实现超短脉冲与整形ns长脉冲的高精度同步输出，而且还可以解决不同波长的ns长脉冲与超短脉冲的高精度同步问题。本发明既能对纳秒长脉冲实现多种需要的时间整形，又能使所述的超短脉冲与所述的时间整形的纳秒长脉冲调整延时同步输出。具有调节简单，结构紧凑，使用范围广等优点。