Programmable multi-pulse green laser
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摘要: 为了满足平面激光诱导荧光技术和反射物速度干涉仪系统的应用要求, 研制出一套可编程多脉冲绿光激光器。采用光强可编程技术, 在任意波形发生器中输入一长脉冲电压波形, 并将其加载到电光调制器上; 通过对此电压脉冲波形的编辑, 在实现时域上控制光强的同时输出多脉冲, 且多脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度及脉冲波形均任意可调。结果表明, 放大过程的波形畸变得到矫正, 获得脉宽为110 ns的绿光单脉冲方波; 脉宽为50 ns、时间间隔5 μs的绿光双脉冲方波; 脉宽为40 ns、50 ns和60 ns、时间间隔为2 μs、1 μs的绿光三脉冲方波。该研究为平面激光诱导荧光技术和反射物速度干涉仪系统提供了参考。Abstract: Programmable multi-pulse green laser was developed to satisfy the application requirements of a planer laser induced fluorescence and velocity interferometer system for any reflector. In the process of amplification, because the front edge gain of the laser pulse was fast and the back edge gain was slow, the laser pulse waveform was distorted. Adopting light intensity programmable technology, input the long pulse voltage waveform into an arbitrary waveform generator and load it onto the electro-optic modulator. In order to control the output light intensity in the time domain and output multiple pulses at the same time, the software was used to edit the long pulse voltage waveform according to the feedback of the output laser waveform. The results indicate that the waveform distortion during the amplification process is corrected. The following green laser square wave pulses are obtained: Single pulse with 110 ns pulse width; double pulses with 5 μs pulse interval and 50 ns pulse width; three pulses with pulse widths of 40 ns, 50 ns and 60 ns and pulse interval of 2 μs and 1 μs respectively. Of course, if necessary, by editing the long pulse voltage waveform, we can also get pulses of other parameters so as to obtain a laser with adjustable pulse number, waveform, pulse width, and pulse interval. This study provides a reference for planar laser-induced fluorescence technology and reflector velocity interferometer system.
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Keywords:
- lasers /
- multi-pulse /
- pulse shaping /
- arbitrary waveform /
- electro-optic modulator
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0. 引言
随着激光技术的发展，激光器在材料、军事等方面有着重大的应用[1-2]。在平面激光诱导荧光技术[3-4]中，要以一定时间间隔，两次甚至多次拍摄流场荧光图像；在反射物速度干涉仪系统[5-6]中，要求一发激光能够覆盖整个物理过程，并且脉冲为方波。在激光放大的过程中，会由于增益饱和的作用，方波脉冲前沿增益较大导致脉冲变陡；脉冲后沿增益较小趋于平缓，出现波形畸变。所以，研制出多脉冲且脉冲间隔、脉冲宽度及脉冲波形均可调的激光器显得尤为重要。
目前产生多脉冲的方法主要有：被动锁模法[7-9]、分光延时法[10]、再生放大法[11]、双腔法[12]、控制抽运源法[13]、声光调制器法[14-15]等。中国空间技术研究院DUAN等人利用声光调制器选出100 kHz的脉冲串，能量为220 mJ[14]。长春大学LI等人在一个抽运周期内开启声光调制器两次，得到10 kHz间隔为20 μs的双脉冲，其波长为639 nm, 能量为7.1 μJ[15]。
目前对光脉冲进行整形的方法主要有：脉冲堆集法[16]、非线性效应法[17-18]、多光子吸收法[19]以及时域调制法[20-24]。时域调制法目前主要有两种：一种是通过任意波形电脉冲控制种子源的光脉冲，达到脉冲整形的目的[20-21]；另一种是对LiNbO3强度调制器的电压进行编辑，实现脉冲整形[22-24]。中国工程物理研究院ZONG等人[22]、哈尔滨工业大学YUAN[23]利用任意波形发生器结合电光调制器得到指数波形、栅栏形等任意波形。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室ZHANG等人[24]利用可编辑门阵列电路结合声光调制器得到频率1 MHz、能量20 μJ的脉冲串，脉冲串的轮廓可以整形为任意形状。
迄今为止，利用这两种时域调制法实现脉冲整形的文献中均没有涉及多脉冲的产生。本文作者利用第2种时域调制法，对LiNbO3强度调制器的电压进行编辑，在任意波形发生器中输入一个长脉冲电压波形，通过对此电压波形的编辑，可以同时满足对激光脉冲波形的整形以及多脉冲的输出，且多脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度及脉冲波形均任意可调。
1. 实验装置
采用半导体/光纤/固体三模混合放大方案，实现弱光信号的高效放大，实验装置分为两部分：预放大器和主放大器。预放大部分采用清华大学的设备[25]，该设备通过任意波形电脉冲控制种子源，而本文中是通过对LiNbO3强度调制器的电压进行编辑，在任意波形发生器中输入一个可编辑的长脉冲电压波形，同时实现脉冲波形的整形以及多脉冲的输出，且多脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度及脉冲波形均任意可调。主放大器部分采用双灯90°环绕聚光腔，保证了抽运与增益分布的均匀性。
图 1为预放大器光路图。图中，种子源为1064 nm连续窄线宽分布式反馈激光器，经过LiNbO3电光调制器(electro-optic modulator，EOM)、声光调制器(acoustic-optic modulator，AOM)后，被调制成一定频率的脉冲光进行放大。
本文作者在任意波形发生器中输入长脉冲射频电压信号，并且将此电压脉冲波形加载到EOM、AOM上。再通过任意信号发生器软件对射频电压脉冲波形进行编辑，达到多脉冲波形整形的目的。
预放大器输出1064 nm激光经过整形器进入主放大器，图 2中主放大器采用3级灯抽运模块对预放大激光进行放大后倍频。其中，激光棒为Nd ∶YAG，掺Nd原子数分数为1%，尺寸为∅8 mm×140 mm。全反镜(high reflection，HR)是平平镜。由于预放大输出激光脉冲能量为纳焦量级，考虑到微弱脉冲放大时很容易达到增益饱和，并且当抽运功率过高时，会因为反转粒子数不能全部被提取而产生自发辐射放大，主放大器采取以下3种措施来削弱自发辐射放大：在激光棒的双端面切3°角，避免平面激光棒之间生成子腔，产生寄生振荡；在前两级灯抽运模块放大光路中加入Cr ∶YAG，将弱光吸收避免其经过多次振荡消耗反转粒子数；在腔内加入光隔离器，以避免自发辐射放大打坏光学元器件。透镜1是凹透镜，其焦距为600 mm，透镜2是凸透镜，其焦距为500 mm，磷酸钛氧钾(KTiOPO4, KTP)的尺寸为9 mm×9 mm×15 mm。
2. 实验结果及讨论
2.1 绿光单脉冲整形
在任意波形发生器上输入EOM和AOM的射频电压波形，其中，通道1输出的射频电压波形给EOM，通道2输出的射频电压波形给AOM。通道1：脉冲为方波，频率10 kHz，脉宽110 ns；通道2：脉冲为方波，频率100 Hz，脉宽150 ns。110 ns单脉冲1064 nm激光经过3级灯抽运放大后能量为121 mJ，倍频后得到84 mJ绿光，其波形图见图 3。在脉冲放大的过程中，会由于增益饱和的作用，方波脉冲前沿增益较大导致脉冲变陡；脉冲后沿增益较小趋于平缓，出现波形畸变。
![图 3 整形前110 ns绿光波形图]()
图 3 整形前110 ns绿光波形图Figure 3. Waveform of green laser with 110 ns pulse width before shaping在反射物速度干涉仪系统中，需要波形相对平顶的绿光脉冲方波，为满足此技术要求，根据激光输出波形的反馈，通过任意信号发生器软件对加载在EOM上的射频电压脉冲波形进行局部编辑，见图 4。波形全长105个点，1个点代表 1 ns。根据图 3的反馈，将电压脉冲波形前沿的幅值相对于后沿降低，从而对输出激光波形进行预补偿。由于对电压脉冲波形进行了削波，经过3级灯抽运放大后能量降为98 mJ，倍频后得到68 mJ绿光，见图 5，波形近似方波。平顶度(peak-to-average，PTA)为1.06，其数值等于激光脉冲波形幅值的峰值与平均值的比值，代表的意义是方波的平顶度。脉冲整形后，脉冲能量的不稳定性(均方根)为1.416@1064 nm，1.475@532 nm。图 6为110 ns绿光脉冲的光斑。
![图 5 整形后110 ns绿光波形图]()
图 5 整形后110 ns绿光波形图Figure 5. Waveform of green laser with 110 ns pulse width after shaping2.2 绿光双脉冲整形
在任意波形发生器上输入加载于EOM和AOM的射频电压波形。通道1：脉冲为方波，频率10 kHz，脉宽6 μs；通道2：脉冲为方波，频率1 kHz，脉宽14 μs。6 μs单脉冲1064 nm激光经过3级灯抽运放大后能量为350 mJ，倍频后得到125 mJ绿光。
为了输出双脉冲，通过任意信号发生器软件对6 μs长脉冲电压波形进行编辑，将其分为两个脉宽为50 ns的短脉冲电压波形，两者之间的时间间隔为5 μs。此双脉冲经过3级灯抽运放大后能量为111 mJ，倍频后得到78 mJ绿光，其波形图见图 7。双脉冲之间的时间间隔为5 μs，波形前沿变陡，后沿变缓，且第1个脉冲幅度高于第2个脉冲。在平面激光诱导荧光系统中，需要两个幅值相近且相对平顶的绿光脉冲方波，为满足此技术要求，根据激光输出波形的反馈，对脉宽为50 ns的双脉冲电压波形进行编辑，见图 8。由于对电压脉冲波形进行了削波，经过3级灯抽运放大后能量为89 mJ，倍频后得到63 mJ绿光。最终得到幅值相近、脉宽相同、波形近似方波的绿光双脉冲，PTA约为1.07，见图 9。由于两个脉冲的面积基本相同，所以两个绿光脉冲的能量也相当，大约为34 mJ。脉冲整形后，脉冲能量的不稳定性(均方根)为1.391@1064 nm，1.437@532 nm。图 10为绿光双脉冲光斑图。
![图 7 a—整形前绿光双脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形]()
图 7 a—整形前绿光双脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形Figure 7. a—double pulses of green laser before shaping b—waveform of the first green laser pulse c—waveform of the second green laser pulse![图 8 a—编辑后电压双脉冲 b—第1个电压脉冲波形 c—第2个电压脉冲波形]()
图 8 a—编辑后电压双脉冲 b—第1个电压脉冲波形 c—第2个电压脉冲波形Figure 8. a—double pulses of voltage after editing b—waveform of the first voltage pulse c—waveform of the second voltage pulse![图 9 a—整形后绿光双脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形]()
图 9 a—整形后绿光双脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形Figure 9. a—double pulses of green laser after shaping b—waveform of the first green laser pulse c—waveform of the second green laser pulse2.3 绿光三脉冲整形
在以上基础上，为了得到三脉冲，通过任意信号发生器软件对6 μs长脉冲电压波形进行编辑，将其分为脉宽为40 ns、50 ns、60 ns的三脉冲，时间间隔分别为2 μs、1 μs。此三脉冲1064 nm激光经过3级灯抽运放大后能量为146 mJ，倍频后得到103 mJ绿光，其波形图见图 11。3个绿光脉冲之间的时间间隔分别为2 μs、1 μs，波形前沿变陡，后沿变缓，且3个脉冲的幅度值依次降低。为了得到3个幅值相近且相对平顶的绿光脉冲方波，根据激光输出波形的反馈对三脉冲电压波形进行编辑，见图 12。由于对电压脉冲波形进行了削波，经过3级灯抽运放大后能量为122 mJ，倍频后得到84 mJ绿光，最终得到幅值相近，波形近似方波的3个绿光脉冲，PTA约为1.08，见图 13。3个绿光脉冲的能量比等于其面积比，即脉宽比，大约分别为23 mJ、29 mJ和35 mJ。脉冲整形后，脉冲能量的不稳定性(均方根)为1.441@1064 nm，1.475@532 nm。图 14为绿光三脉冲光斑图。
![图 11 a—整形前绿光三脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形 d—第3个绿光脉冲波形]()
图 11 a—整形前绿光三脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形 d—第3个绿光脉冲波形Figure 11. a—three pulses of green laser before shaping b—waveform of the first green laser pulse c—waveform of the second green laser pulse d—waveform of the third green laser pulse![图 12 a—编辑后电压三脉冲 b—第1个电压脉冲波形 c—第2个电压脉冲波形 d—第3个电压脉冲波形]()
图 12 a—编辑后电压三脉冲 b—第1个电压脉冲波形 c—第2个电压脉冲波形 d—第3个电压脉冲波形Figure 12. a—three pulses of voltage after editing b—waveform of the first voltage pulse c—waveform of the second voltage pulse d—waveform of the third voltage pulse![图 13 a—整形后绿光三脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形 d—第3个绿光脉冲波形]()
图 13 a—整形后绿光三脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形 d—第3个绿光脉冲波形Figure 13. a—three pulses of green laser after shaping b—waveform of the first green laser pulse c—waveform of the second green laser pulse d—waveform of the third green laser pulse3. 结论
在任意波形发生器中输入一个长脉冲电压波形，并将此电压脉冲波形加载在LiNbO3电光调制器上。根据输出激光波形的反馈，利用任意信号发生器软件对长脉冲电压波形进行编辑，在实现时域上控制激光输出光强的同时输出多脉冲。结合实验编辑了3种电压脉冲波形，得到以下绿光脉冲波形: 单脉冲方波，脉宽为110 ns；时间间隔为5 μs的双脉冲方波，脉宽均为50 ns；时间间隔分别为2 μs和1 μs的三脉冲方波，脉宽分别为40 ns、50 ns、60 ns。当然，根据需要，通过编辑长脉冲电压波形，还能得到其它参数的脉冲，从而获得脉冲数、波形、脉宽以及脉冲间隔均可调的激光器。
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图 3 整形前110 ns绿光波形图
Figure 3. Waveform of green laser with 110 ns pulse width before shaping
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图 5 整形后110 ns绿光波形图
Figure 5. Waveform of green laser with 110 ns pulse width after shaping
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图 7 a—整形前绿光双脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形
Figure 7. a—double pulses of green laser before shaping b—waveform of the first green laser pulse c—waveform of the second green laser pulse
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图 8 a—编辑后电压双脉冲 b—第1个电压脉冲波形 c—第2个电压脉冲波形
Figure 8. a—double pulses of voltage after editing b—waveform of the first voltage pulse c—waveform of the second voltage pulse
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图 9 a—整形后绿光双脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形
Figure 9. a—double pulses of green laser after shaping b—waveform of the first green laser pulse c—waveform of the second green laser pulse
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图 11 a—整形前绿光三脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形 d—第3个绿光脉冲波形
Figure 11. a—three pulses of green laser before shaping b—waveform of the first green laser pulse c—waveform of the second green laser pulse d—waveform of the third green laser pulse
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图 12 a—编辑后电压三脉冲 b—第1个电压脉冲波形 c—第2个电压脉冲波形 d—第3个电压脉冲波形
Figure 12. a—three pulses of voltage after editing b—waveform of the first voltage pulse c—waveform of the second voltage pulse d—waveform of the third voltage pulse
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图 13 a—整形后绿光三脉冲 b—第1个绿光脉冲波形 c—第2个绿光脉冲波形 d—第3个绿光脉冲波形
Figure 13. a—three pulses of green laser after shaping b—waveform of the first green laser pulse c—waveform of the second green laser pulse d—waveform of the third green laser pulse
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