CN100447650C - 融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光非线性光学技术领域。本发明包括以下步骤：使用融石英棒和石英光纤组合，组合方式是由透镜耦合方法。先将激光耦合到石英棒，再用透镜耦合到石英光纤中。利用光纤中的SBS效应，获得后向SBS散射相位共轭光，返回到石英棒中。由于石英光纤具有较低的SBS阈值，而在融石英棒中可以使得激光束会聚后具有较大的焦斑直径，从而有较高的损伤阈值。将这二种石英器件组合，激光进入融石英棒后尚未达到SBS阈值，继续前向传播。经过会聚透镜后会聚在石英光纤。当光强达到石英光纤SBS阈值后，产生后向SBS散射。后向散射光反向进入融石英棒，与后续的入射激光共同产生低阈值的后向强迫SBS效应，使得从组合光纤反射出足够强的与入射光相位共轭的光。从而达到补偿光路中的相位畸变、改善光束质量的目的。

Description

融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置及方法

技术领域

本发明涉及一种融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置及方法。

背景技术

激光二级管(LD)泵浦的高功率固体激光器具有高重复率全固化的优势，近年米得到迅速发展，已经替代了传统的氙灯泵浦固体激光系统，成为新一代固体激光系统。其重复频率从传统的几十赫兹提高到了百赫兹甚至千赫兹的量级。随之带来的是在如此高重复频率下严重的激光介质热透镜效应。受激布里渊后向散射(SBS)是一种产生光束相位共轭、有效补偿热透镜效应的方法，当具有相位畸变的光束经过SBS后向散射，反射后光波的相位具有与入射光相位共轭的特性。此位相共轭光反向传播，再次经过引起畸变的光路后，可以使畸变得到矫正或部分矫正。这一技术对于LD泵浦的高重复率高功率激光系统有着特殊的意义。

至今所报道的相位共轭装置仅应用在二种情况，或者是用于高脉冲能量低重复率(几十豪焦到几百豪焦耳、几赫兹到几十赫兹)，或者是用于低脉冲能量高重复率(几个豪焦、几百赫兹)。而目前已有的SBS位相共轭所采用的介质有液体，气体使用不方便，且通常有毒。光纤作为位相共轭材料虽然无毒，但光纤由于具有非常小的横截面积带来了光纤损伤阈值的降低，在高功率高重复率条件下极易损坏。本发明采用一种融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置及方法，克服了光纤损伤阈值低的缺点，具有较高的激光损伤阈值，而同时又具有较低的SBS阈值。

发明内容

本发明提供一种融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置及方法。使用这种装置和方法可以提高装置整体激光损伤阈值而同时又降低SBS阈值。

融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置具有依次同轴放置的融石英棒、耦合透镜、石英光纤。

所述的融石英棒直径大于10mm，石英光纤芯径小于1mm，光纤端面具有平整光滑的高光洁度平面。耦合透镜的焦距为300～800mm。

融石英棒-石英光纤复合型相位共轭方法包括如下步骤：

1)当具有相位畸变的光束激光耦合进入融石英棒后尚未达到SBS阈值，继续前向传播，通过耦合透镜或透镜组耦合到石英光纤中，当功率密度超过石英光纤中的SBS阈值时，产生后向SBS散射；

2)后向SBS散射光沿入射光的相反方向注回融石英棒，与入射激光的后续部分光干涉，共同产生低于激光单独在石英棒中直接由噪声光栅引起的SBS阈值的强迫SBS效应；

3)这种由融石英棒-石英光纤二种器件中的散射结合的强迫SBS效应，使得在融石英棒中的反射光波的相位与入射光共轭；

4)此位相共轭光反向传播，再次经过引起畸变的光路后，使畸变得到矫正或部分矫正。

本发明具有的有益效果是：

一种产生SBS位相共轭的复合方法，使得由该组合体形成的位相共轭器件既具有较高的损伤阈值，又具有较低的SBS阈值，从而在大功率激光器中得到应用而避免损伤。

由于这种通过二种散射结合的强迫SBS效应，使得在融石英棒中的反射光波的相位与入射光共轭；因此当位相共轭光反向传播再次经过引起畸变的光路后，使畸变得到矫正或部分矫正。由此产生的有益效果是大大提高了激光器的输出光束质量，减少了出射激光的空间发散角，补偿了高功率高重复率运行下的激光器中的热透镜效应。

附图说明

图1是融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置示意图；

图2是应用融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置的LD泵浦Nd:YAG双程激光振荡-放大系统示意图；

图3是100Hz是应用融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置和融石英棒后面未加光纤的装置在各种实验条件下的实测SBS反射光斑图。

具体实施方式

本发明提出一种融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置和方法，利用融石英棒和石英光纤中的受激布里渊散射(SBS)相互作用原理，达到既增强了损伤阈值，由降低了SBS阈值，从而使用于高功率高重复率的LD泵浦固体激光器，获得相位共轭光的方法。

如图1所示，融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置由依次同轴放置的融石英棒、耦合透镜、石英光纤组成。融石英棒直径大于10mm，石英光纤芯径小干1mm。耦合透镜的焦距为300～800mm。

复合型相位共轭装置中的SBS过程是一种泵浦光场、斯托克斯光(Stokes)光场以及声场之间的相互耦合作用的非线性过程。在石英光纤中产生斯托克斯光振荡，在大块融石英棒中得到放大并输出。上述融石英棒-石英光纤复合型受激布里渊散射(SBS)相位共轭装置中的受激布里渊散射(SBS)获得相位共轭光的方法包括如下步骤：

1)当具有相位畸变的激光束耦合进入融石英棒后尚未达到SBS阈值，这种具有相位畸变的激光束作为泵浦光进入融石英棒。在这个泵浦光的前沿，由于光功率比较弱而且会聚在融石英棒中的光斑直径较大，激光的功率密度较小，没有达到SBS过程所需要的阈值，不能形成足够强的声场进行斯托克斯光(Stokes)反射，所以泵浦光可以几乎无损耗地通过融石英棒，继续前向传播。

2)透过石英棒的泵浦光通过会聚透镜耦合到石英光纤。当泵浦光进入光纤时，由于石英光纤的芯径在几百微米，使得泵浦光功率密度迅速增加，当功率密度超过石英光纤中较低的SBS阈值时，产生后向SBS散射，从而很快在石英光纤内建立起强的声场并超过光纤中的SBS阈值，形成一个较小的后向反射的Stokes光，即产生后向反射的Stokes光振荡。

3)后向反射的Stokes(斯托克斯)光反向再次通过会聚透镜耦合注入到融石英棒中，与后续泵浦光干涉形成声场光栅，共同产生低于激光单独在石英棒中由噪声光栅引起的SBS阈值的强迫SBS效应。泵浦光在此基础上继续后向反射，如此循环耦合致使在融石英棒内Stokes光放大，反射光接近泵浦光的功率，形成SBS位相共轭光。

4)通过这种由融石英棒-石英光纤二种器件中的散射相结合的强迫SBS效应，使得在融石英棒中的反射光波的相位与入射光共轭；此位相共轭光反向传播，再次经过引起畸变的光路后，使畸变得到矫正或部分矫正。

正如下述实施例中介绍的，本发明提出的利用复合型融石英棒-石英光纤相位共轭装置获得相位共轭光的方法，特别适用于LD泵浦的高重复率双程或多程激光振荡-放大系统，使得激光的光束质量大大提高。。

实施例：

图2表示了一种应用于LD泵浦Nd:YAG双程激光振荡-放大系统(MOPA)示意图。其工作原理如下：

由振荡级发出的激光经过法拉第磁光隔离器、放大级1及2放大后，由透镜耦合到复合型融石英棒-石英光纤受激布里渊散射(SBS)相位共轭装置。在融石英棒激发的强迫SBS后向散射光反向进入放大级1和2后，进行第二程放大后从偏振片P2输出。由两个放大级引起的热透镜效应及其他相位畸变，在光束第二次通过后得到消除。从而使输出光获得光束质量的提高。

在以上的复合型位相共轭装置及其在高功率高重复率LD泵浦固体激光振荡放大系统中的应用实验中，复合型相位共轭装置的前级采用固体(融石英)SBS相位共轭装置，直径为30mm，长度为200mm，前后表面加工成最高等级的光洁度和平面度，可以镀增透膜或不镀增透膜。相位共轭装置次级采用高损伤阈值的融石英粗光纤，用长作用距离来降低SBS阈值，石英光纤芯径为600μm，长度为3m，端面用切割或者抛光的方法加工，使其切割表面具有极高的光洁度和平整性。由石英光纤SBS反射的Stokes光注回融石英棒后构成复合型相位共轭装置。这种装置可以达到相位共轭反射率稳定，应用更加方便可靠和无毒安全，并提高其激光损伤阈值。这样构成的组合式相位共轭装置具有SBS阈值低、反射率高、损伤阈值高的优点。实验证明在融石英棒后面加了光纤SBS比未加光纤SBS情况下具有更低的SBS阈值、更高的SBS反射率。实验中在最佳的运行状态下达到的较为稳定的激光输出为：在100Hz重复率下最高反射率达到42％，在适当调整耦合透镜焦距后，可以达到更高的反射率。反射光斑质量高，光束质量因子M²值从输入光束的3减少到1.6，反射光斑稳定，没有漏脉冲现象，在200Hz、400Hz情况下均获得了光束质量好的反射光束，光束质量因子M²值达到1.7。这种用于如此大功率高、重复率的LD泵浦的固体激光器中的组合型相位共轭装置是我们的独创，至今在国内外未见类似的报道。而给出的实验结果也是没有报导过的。

表1和图3是实施例的实验结果。表1显示了融石英棒后面未加光纤和加了光纤情况下实测SBS反射率。图3显示了在100Hz运行条件下应用融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置和融石英棒后面未加光纤的装置在各种实验条件下的实测SBS反射光斑图。可以看到在100Hz时的稳定输出和光斑质量。图中还比较了复合型融石英棒-石英光纤受激布里渊散射(SBS)相位共轭装置和没有光纤时的融石英棒SBS反射阈值和反射光斑情况。

表1融石英棒后面未加光纤和加了光纤情况下实测SBS反射率

(重复率100Hz，耦合透镜f＝410mm，二级放大电流I_a1＝I_a2＝90A)

振荡级电流A	融石英棒反射率％	融石英棒加石英光纤反射率％	输入脉宽ns	输入脉宽ns
					59.1	无	阈值，刚出现反射	68.82
59.5	无	19.2	62.48	31.3
					60.0	无	31.5	60.0
60.5	24.8	40.6	50.73	32.94
					61.0	18.2	28.3
61.5	32	42.05		30.4

                                                  。

Claims (3)

1.一种融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置，其特征在于，它具有依次同轴放置的融石英棒、耦合透镜、石英光纤，所述的融石英棒直径大于10mm，融石英棒两端面是高光洁度和平面度的平面，石英光纤芯径小于1mm，石英光纤端面是平整光滑、高光洁度的平面。

2.根据权利要求1所述的一种融石英棒-石英光纤复合型相位共轭装置，其特征在于，所述的耦合透镜为会聚透镜，焦距为300～800mm。

3.一种使用如权利要求1所述装置的融石英棒-石英光纤复合型相位共轭方法，其特征在于包括如下步骤：

1)当具有相位畸变的光束激光耦合进入融石英棒后尚未达到SBS阈值，继续前向传播，通过耦合透镜或透镜组耦合到石英光纤中，当功率密度超过石英光纤中的SBS阈值时，产生后向SBS散射；

2)后向SBS散射光沿入射光的相反方向注回融石英棒，与入射激光的后续部分光干涉，共同产生低于激光单独在石英棒中由噪声光栅引起的SBS阈值的强迫SBS效应；

3)这种通过由融石英棒-石英光纤二种器件中的散射结合的强迫SBS效应，使得在融石英棒中的反射光波的相位与入射光共轭；

4)此位相共轭光反向传播，再次经过引起畸变的光路后，使畸变得到矫正或部分矫正。

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