CN216598384U - 受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，包括：泵浦源、光隔离系统、二分之一波片、第一偏振片、脉宽可调的SBS脉宽压缩系统，所述激光器还包括第一反射镜和SRS产生放大系统，单纵模激光器作为泵浦源发出泵浦光，依次经过光隔离系统、二分之一波片、第一偏振片后进入SBS脉宽压缩系统；泵浦光在SBS脉宽压缩系统被压缩成百皮秒激光，压缩后的百皮秒激光被第一偏振片和第一反射镜反射后进入SRS产生放大系统中进行进一步的压缩放大。通过SBS脉宽压缩技术与SRS脉宽压缩技术组合压缩的技术方案，克服了SBS脉宽压缩技术的压缩极限制约，达到比调Q技术更窄脉宽，比锁模技术更高能量的激光脉宽输出。

Description

受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器

技术领域

本实用新型涉及大能量短脉冲激光技术领域，尤其涉及一种受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器。

背景技术

超短脉冲激光在冲击动力学、激光精密测距、超远距离激光雷达、激光医疗仪器以及激光微加工等诸多领域有着广泛的应用，尤其是大能量超短脉冲激光对推动工业加工和前沿科学有着重要的意义。

目前获得短脉冲激光主要有三种方法：(1)调Q技术，通过缩短腔长可以获得亚纳秒的短脉冲激光，并结合行波放大可以获得亚纳秒大能量激光[如公开号：CN110880672B，专利名称：一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器及其使用方法]，但是这种方法无法再获得更短的脉冲；(2)锁模技术，该方法可获得飞秒到皮秒的超短超快脉冲，但是产生的脉冲能量较小，通常在纳焦到微焦量级，且后续放大较为复杂[如公开号：CN101562310，专利名称：被动锁模皮秒激光器]；(3)受激散射脉宽压缩技术，通常通过受激布里渊散射(StimulatedBrillouin Scattering，SBS)将纳秒脉冲压缩到百皮秒量级，该方法可以获得大能量百皮秒激光，但是受限于物理极限，无法获得超短超快脉冲激光。本实用新型通过SBS与受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)组合压缩技术，兼顾SBS的高能量转化效率和SRS的短压缩极限，可以有效的产生大能量超短脉冲激光，该方法结构简单、成本低、工程适用性强，是一种非常有效的产生大能量超短脉冲的技术。

实用新型内容

本实用新型提供了一种受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，通过SBS脉宽压缩技术与SRS脉宽压缩技术组合压缩的技术方案，克服了SBS脉宽压缩技术的压缩极限制约，达到比调Q技术更窄脉宽，比锁模技术更高能量的激光脉宽输出，同时通过引入温度控制系统以实现脉宽的连续可调。

一种受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，包括：泵浦源1、光隔离系统2、二分之一波片3、第一偏振片4、脉宽可调的SBS脉宽压缩系统5，其特征在于，所述激光器还包括第一反射镜6和SRS产生放大系统7，

其中，单纵模激光器作为泵浦源1发出泵浦光，依次经过光隔离系统2、二分之一波片3、第一偏振片4后进入SBS脉宽压缩系统5；泵浦光在SBS脉宽压缩系统5被压缩成百皮秒激光，压缩后的百皮秒激光被第一偏振片4和第一反射镜6反射后进入SRS产生放大系统7中进行进一步的压缩放大。

SRS产生放大系统7用于实现对SBS脉宽压缩系统5产生的百皮秒光进行脉宽压缩，SRS产生放大系统7包括分束镜7-1、第二反射镜7-2、第三反射镜7-3、窄带滤光片7-4、SRS产生池7-5、第一二向色镜7-6、第一SRS放大池7-7和第二二向色镜7-8，SBS脉宽压缩系统5产生的百皮秒激光进入SRS产生放大系统7后，由分束镜7-1进行分束：一束经第一二向色镜7-6反射射入SRS产生池7-5中，在SRS产生池7-5中发生前向受激拉曼散射，产生正向传输的Stokes种子光透过窄带滤光片7-4，被第三反射镜7-3反射后透过第一二向色镜7-6进入第一SRS放大池7-7中；另一束经第二反射镜7-2与第二二向色镜7-8反射进入第一SRS放大池7-7中并与Stokes种子光对向相遇，由于两束光满足SRS相位匹配条件，Stokes种子光将会提取百皮秒激光的能量进行放大，最终透过第二二向色镜7-8输出。

所述激光器还包括第四反射镜8、第四反射镜9、第二SRS放大池10和第三二向色镜11，通过光路的偏折使未耗尽的百皮秒激光与放大一次后的Stokes种子光进行第二放大压缩，以获得更高的能量转化效率；经第二二向色镜7-8输出的Stokes种子光经第四反射镜8、第四反射镜9进入第二SRS放大池10，从第二二向色镜7-8出来的百皮秒激光经第一二向色镜7-6高反到第三二向色镜11，再高反到第二SRS放大池10中再次与Stokes种子光发生对向相遇，进行第二次放大压缩，最后输出高能皮秒的激光。

所述窄带滤光片7-4滤除剩余百皮秒激光和高阶Stokes成分，仅保留正向的一阶Stokes成分；所述第一二向色镜7-6与第二二向色镜7-8均对正向的一阶Stokes种子光高透，对百皮秒激光高反。

光隔离系统2由第二偏振片2-1、法拉第旋光器2-2和第三偏振片2-3组成，SBS脉宽压缩系统5由四分之一波片5-1、SBS脉宽压缩池5-2、TEC制冷片5-3、控温模块5-4和凹面反射镜5-5组成，泵浦源1产生单纵模泵浦光依次经过隔离系统2防止返回光打坏谐振腔；泵浦光再经过二分之一波片3和第一偏振片4、四分之一波片5-1变为圆偏振光之后在SBS脉宽压缩池5-2内发生SBS脉宽压缩效应，将泵浦光压缩至百皮秒量级，通过调节TEC制冷片5-3和控温模块5-4来控制SBS脉宽压缩池内温度，使输出脉宽可调；输出的百皮秒激光反向传输，由第一偏振片4分离出光路，经第一反射镜6折返进入SRS产生放大系统7。

所述SBS脉宽压缩池5-2的池中介质采用声子寿命和增益系数随温度变化范围较大的液体重氟碳系列介质，为FC-72、FC-77、FC-87、FC-84、FC-70、FC-770等中的一种。

在液体介质中，介质的声子寿命随着温度的降低而降低，通过对介质降温实现输出脉冲的变窄，同时通过控制介质温度的变化，使其成为一个脉冲可调的输出光源，从而控制SRS产生放大系统的输出脉宽可调，且实现最终输出脉冲的变窄。

TEC制冷片5-3尽可能选择温度调节精度高的器件，以期进行更精确的脉宽调节，温度调节范围在-30～130摄氏度，调节温度不能高于所用的SBS脉宽压缩池5-2池中介质的沸点，并且为了获得较理想的输出脉宽，脉宽可调的SBS脉宽压缩系统5的输出脉宽尽可能在2ns以下。

SRS产生池7-5采用了基于前向SRS种子产生的方法，第一SRS放大池7-7的位置需要保证百皮秒激光与Stokes种子光对向相遇放大的过程均在拉曼介质中。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型提供的一种受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，通过结合受激布里渊散射与受激拉曼散射，克服了SBS脉宽压缩技术的脉冲压缩极限的限制，突破百皮秒量级，可以获得大能量超短脉冲输出。通过温控调节SBS输出的脉宽以及时域波形,进而对最终输出进行参数控制和优化，通过产生放大SRS结构，将脉宽进一步变为超短脉冲，可以实现SBS脉宽从亚纳秒到亚皮秒、皮秒、数十皮秒量级的超短的压缩。

2、本实用新型提供的超短脉冲激光器，通过SBS对大能量纳秒脉冲的预压缩，获得了高峰值功率的百皮秒激光，可以规避后续SRS脉宽压缩中聚焦结构的使用，解决了高阶Stokes光对脉宽压缩的影响，可以显著提高能量转化效率，获得百毫焦、几十个毫焦量级的皮秒脉冲输出。

3、本实用新型提供的超短脉冲激光器，由于受激布里渊散射有着高的能量转化率和单纵模输出，最终输出的激光脉冲为单纵模，可被应用于需要单纵模大能量皮秒激光的相关领域。

4、本实用新型提供的超短脉冲激光器，由于受激拉曼散射的波长频移较大，可以产生其他激光器难以产生的特殊波长，且输出为单一波长。

5、本实用新型提供的超短脉冲激光器中的SBS脉宽压缩系统的输出一定程度上决定了最终的输出，并且其受激布里渊介质的声子寿命会随着温度的降低而降低，通过引入温度调节系统改变布里渊介质的声子寿命从而使得激光器的脉冲宽度可调节。

6、本实用新型提供的超短脉冲激光器，无需有源放大器对激光脉冲进行放大，仅通过SBS脉宽压缩系统与SRS产生放大系统就可以产生高能量激光脉冲输出。

7、控制SBS脉宽压缩系统的输出为类标准的高斯波形，使其能够输入到SRS放大产生系统中，考虑到固体SRS介质由于其永久性损伤以及不可修复性,所以需要对SBS的输出功率进行严格控制，使得SBS的输出范围要满足损伤阈值和拉曼阈值之间，本申请SRS产生放大系统产生前向拉曼，不使用聚焦透镜，避免晶体损伤，减少而高阶Stokes光的影响，当进行二次放大时，会有更短的脉冲以及更高的能量转化效率。

附图说明

图1为本实用新型受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器一种实施例的结构示意图。

图2为本实用新型受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器另一种实施例的结构示意图。

图3为本实施例一中被脉宽可调的SBS脉宽压缩系统压缩放大后的背向Stokes光的数值模拟图。

图4为本实施例一中被SRS产生放大系统压缩放大后的最终激光脉冲输出的数值模拟图。

图5为本实用新型提供的超短脉冲激光器在泵浦源脉宽为8ns时输入脉宽(a)、SBS脉宽压缩系统输出脉宽(b)和SRS产生放大系统的最终输出脉宽(c)的测量图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：泵浦源； 2：光隔离系统；

3：二分之一波片； 4：第一偏振片；

5：SBS脉宽压缩系统； 6：第一反射镜；

7：SRS产生放大系统； 8：第四反射镜；

9：第四反射镜； 10：第二SRS放大池；

11:第三二向色镜；

2-1：第二偏振片； 2-2：法拉第旋光器；

2-3：第三偏振片；

5-1：四分之一波片； 5-2：SBS脉宽压缩池；

5-3：TEC制冷片； 5-4：控温模块；

5-5：凹面反射镜；

7-1：分束镜； 7-2：第二反射镜；

7-3：第三反射镜； 7-4：窄带滤光片；

7-5：SRS产生池； 7-6：第一二向色镜；

7-7：SRS放大池； 7-8：第二二向色镜。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步地详细描述。

本实用新型先通过SBS脉宽压缩技术实现纳秒到百皮秒量级的压缩，再通过SRS脉宽压缩技术实现百皮秒级脉冲到皮秒脉冲的压缩。SBS脉宽压缩可以使SRS规避锁模激光器的使用，提高其应用价值；而SRS脉宽压缩技术克服了SBS技术压缩极限较大的缺点，可以使整个系统实现皮秒乃至飞秒脉冲的输出。

参见图1，一种受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器包括：泵浦源1、光隔离系统2、二分之一波片3、第一偏振片4、脉宽可调的SBS脉宽压缩系统5、第一反射镜6和SRS产生放大系统7。

其中，单纵模激光器作为泵浦源1发出泵浦光，依次经过光隔离系统2、二分之一波片3、第一偏振片4后进入SBS脉宽压缩系统5；泵浦光在SBS脉宽压缩系统5被压缩成百皮秒激光。压缩后的百皮秒激光被第一偏振片4和第一反射镜6反射后进入SRS产生放大系统7中进行进一步的压缩放大。

其中，光隔离系统2由第二偏振片2-1、法拉第旋光器2-2和第三偏振片2-3组成；可以使入射光单方向通过光隔离系统2，返回的光会因为偏振方向的改变无法通过偏振片2-1，从而达到保护泵浦源1的效果。所述偏振片为布鲁斯特角。

其中，可通过调节二分之一波片3，在不改变光斑尺寸和光束质量的条件下控制输入能量大小。

进一步地，SBS脉宽压缩系统5用于实现对泵浦光的脉宽压缩，SBS脉宽压缩系统5由四分之一波片5-1、SBS脉宽压缩池5-2、TEC制冷片5-3、控温模块5-4和凹面反射镜5-5组成。泵浦光进入SBS脉宽压缩系统5后，首先经四分之一波片5-1变为圆偏振光，通过SBS脉宽压缩池5-2被凹面反射镜5-5反射聚焦回SBS脉宽压缩池5-2形成干涉驻波场，发生后向SBS并产生百皮秒激光，百皮秒激光沿光路返回，经过四分之一波片5-1变为线偏振光输出，由于经过两次四分之一波片5-1，百皮秒激光会被第一偏振片4和第一反射镜6反射后进入SRS产生放大系统7。

SBS受限于长声子寿命，在液体介质中，介质的声子寿命随着温度的降低而降低，通过对介质降温可以实现输出脉冲的变窄，同时还可以通过控制介质温度的变化，使其成为一个脉冲可调的输出光源。

SBS脉宽压缩池5-2的池中介质选择采用随温度变化范围大的液体重氟碳系列介质，如FC-72、FC-77、FC-87、FC-84、FC-70、FC-770等中的一种，使其可以通过TEC制冷片5-3和控温模块5-4调节池中介质温度使输出脉宽可调。介质的声子寿命随着温度的降低而降低，因此，通过对介质降温，可以实现最终输出脉冲的变窄，并且通过改变温度可使SBS脉宽压缩系统的输出脉宽可调，从而控制SRS产生放大系统的输出脉宽可调。

进一步地，SRS产生放大系统7用于实现对SBS脉宽压缩系统5产生的百皮秒光进行脉宽压缩，SRS产生放大系统7由分束镜7-1、第二反射镜7-2、第三反射镜7-3、窄带滤光片7-4、SRS产生池7-5、第一二向色镜7-6、第一SRS放大池7-7和第二二向色镜7-8组成。SBS脉宽压缩系统5产生的百皮秒激光进入SRS产生放大系统7后，由分束镜7-1进行分束；一束经第一二向色镜7-6反射射入SRS产生池7-5中，在SRS产生池7-5中发生前向SRS，产生正向传输的Stokes种子光透过窄带滤光片7-4，被第三反射镜7-3反射后透过第一二向色镜7-6进入第一SRS放大池7-7中；另一束经第二反射镜7-2与第二二向色镜7-8反射进入第一SRS放大池7-7中并与Stokes种子光对向相遇，由于两束光满足SRS相位匹配条件，Stokes种子光将会提取百皮秒激光的能量进行放大，最终透过第二二向色镜7-8输出。

其中，SRS产生池7-5采用了基于前向SRS种子产生的方法，此结构中前向SRS为主，后向拉曼的光不会在放大池内放大，不与泵浦光相遇，前向SRS相比于后向SRS转化效率高，具有不必采用聚焦结构以及对输入线宽无要求等优势，通过后续第一SRS放大池7-7的放大和压缩，可达到高能皮秒的激光输出。

其中，其中，所述窄带滤光片7-4滤除剩余百皮秒激光和高阶Stokes成分，仅保留正向的一阶Stokes成分。

其中，第一二向色镜7-6和第二二向色镜7-8均对SBS脉宽压缩系统5产生的百皮秒激光高反，对SRS产生池7-5产生的一阶Stokes种子光高透。

其中，第一SRS放大池7-7的位置需要保证百皮秒激光与Stokes种子光对向相遇放大的过程均在拉曼介质中。

进一步地，参见图2，SRS产生放大系统7在上述结构基础上增加第四反射镜8、第四反射镜9、第二SRS放大池10和第三二向色镜11，通过光路的偏折使未耗尽的百皮秒激光与放大一次后的Stokes种子光进行第二放大压缩，以获得更高的能量转化效率。经第二二向色镜7-8输出的Stokes种子光经第四反射镜8、第四反射镜9进入第二SRS放大池10，从第二二向色镜7-8出来的百皮秒激光经第一二向色镜7-6高反到第三二向色镜11，再高反到第二SRS放大池10中再次与Stokes种子光发生对向相遇，进行第二次放大压缩，最后输出高能皮秒的激光。

本实用新型通过SBS脉宽压缩技术产生的百皮秒激光充当SRS脉宽压缩技术的输入光，实现了SBS和SRS的联合使用，最终实现了利用SRS脉宽压缩技术实现超短脉冲的输出的目的。

SBS脉宽压缩池5-2的池中介质为液体重氟碳系列介质FC-72、FC-77、FC-87、FC-84、FC-70、FC-770等中的一种，SBS脉宽压缩池5-2、SRS产生池7-5与第一SRS放大池7-7的池长根据介质和实际情况的不同为0.5cm～50cm，凹面反射镜5-5焦距为10～50cm，两个SRS放大池和SRS产生池的池中介质为光学声子寿命在皮秒量级的Ba(NO₃)₂、H₂、NH₃、CS₂等符合条件的固体、气体以及液体中的一种拉曼活性介质。

实施例一：本实施例与上述具体实施方式结构相同，SRS产生放大系统一次放大，具有以下参数：

单纵模激光器作为泵浦源1，输出波长为1064nm，发散角为0.35mrad，峰值功率为4MW；SBS脉宽压缩池5-2的池中介质为FC-770(声子寿命为600ps，1064nm下布里渊增益系数为3.5cm/GW)，池长为100cm；凹面反射镜镜5-5焦距为33cm，凹面反射镜5-5与SBS脉宽压缩池5-2的距离为10cm；SRS产生池7-5与第一SRS放大池7-7的增益介质为Ba(NO₃)₂晶体，SRS产生池7-5池长为3cm，第一SRS放大池7-7池长为7.5cm；其他型号器件均不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。对本实施例SBS脉宽压缩系统5产生的百皮秒激光以及最终输出超短脉冲激光的数值模拟如图3和图4所示，最终输出超短脉冲激光的脉冲宽度为160ps。

实施例二：本实施例与实施例一结构相同，图5为泵浦源1输出波长为1064nm，脉宽为8ns时的脉宽测量图，其(a)为泵浦源1的输出脉宽测量图、(b)为脉宽可调的SBS脉宽压缩系统5的输出脉宽测量图、(c)为SRS产生放大系统7的最终输出脉宽测量图，其脉宽分别为8ns、711ps和97ps。

实施例三：TEC制冷片5-3尽可能选择温度调节精度高的器件，以期进行更精确的脉宽调节，温度调节范围在-30～130摄氏度，调节温度不能高于所用的SBS脉宽压缩池5-2池中介质的沸点。并且为了获得较理想的输出脉宽，脉宽可调的SBS脉宽压缩系统5的输出脉宽尽可能在2ns以下。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可，且本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，包括：泵浦源、光隔离系统、二分之一波片、第一偏振片、脉宽可调的SBS脉宽压缩系统，其特征在于，所述激光器还包括第一反射镜和SRS产生放大系统，泵浦源、光隔离系统、二分之一波片、第一偏振片、脉宽可调的SBS脉宽压缩系统依次布置，第一反射镜接收第一偏振片的光，在第一反射镜之后布置SRS产生放大系统。

2.根据权利要求1所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，单纵模激光器作为泵浦源发出泵浦光，依次经过光隔离系统、二分之一波片、第一偏振片后进入SBS脉宽压缩系统；SBS脉宽压缩系统被压缩成百皮秒激光，压缩后的百皮秒激光经第一偏振片和第一反射镜进入SRS产生放大系统。

3.根据权利要求1所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，SRS产生放大系统用于实现对SBS脉宽压缩系统产生的百皮秒光进行脉宽压缩，SRS产生放大系统包括分束镜、第二反射镜、第三反射镜、窄带滤光片、SRS产生池、第一二向色镜、第一SRS放大池和第二二向色镜，SBS脉宽压缩系统产生的百皮秒激光进入SRS产生放大系统后，由分束镜进行分束：一束经第一二向色镜反射射入SRS产生池中，在SRS产生池中发生前向受激拉曼散射，产生正向传输的Stokes种子光透过窄带滤光片，被第三反射镜反射后透过第一二向色镜进入第一SRS放大池中；另一束经第二反射镜与第二二向色镜反射进入第一SRS放大池中并与Stokes种子光对向相遇。

4.根据权利要求3所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，所述激光器还包括第四反射镜、第四反射镜、第二SRS放大池和第三二向色镜，通过光路的偏折使未耗尽的百皮秒激光与放大一次后的Stokes种子光进行第二放大压缩；经第二二向色镜输出的Stokes种子光经第四反射镜、第四反射镜进入第二SRS放大池，从第二二向色镜出来的百皮秒激光经第一二向色镜高反到第三二向色镜，再高反到第二SRS放大池中再次与Stokes种子光发生对向相遇。

5.根据权利要求4所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，所述SRS产生池和两个SRS放大池的池中介质选择光学声子寿命在皮秒量级的拉曼活性介质。

6.根据权利要求5所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，拉曼活性介质为Ba(NO₃)₂、H₂、NH₃、CS₂中的一种。

7.根据权利要求3所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，所述第一二向色镜与第二二向色镜均对正向的一阶Stokes种子光高透，对百皮秒激光高反。

8.根据权利要求1所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，光隔离系统由第二偏振片、法拉第旋光器和第三偏振片组成，SBS脉宽压缩系统由四分之一波片、SBS脉宽压缩池、TEC制冷片、控温模块和凹面反射镜组成。

9.根据权利要求8所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，所述SBS脉宽压缩池的池中介质FC-72、FC-77、FC-87、FC-84、FC-70、FC-770 中的一种。

10.根据权利要求8所述的受激布里渊散射与受激拉曼散射组合压缩超短脉冲激光器，其特征在于，TEC制冷片温度调节范围在-30～130摄氏度，调节温度不能高于所用的SBS脉宽压缩池池中介质的沸点，脉宽可调的SBS脉宽压缩系统的输出脉宽在2ns以下。

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