CN101324736A - 利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法 - Google Patents
利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法 Download PDFInfo
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Abstract
利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，它涉及非线性光学领域，它解决了非线性限幅机制无法应用于高功率激光系统的防护，及现有获得平顶光束的方法使用装置复杂、受激布里渊散射光限幅输出能量损失大的问题。本发明的方法为：系统输入s偏振泵浦光先后经1/2波片(2)、偏振片(3)、1/4波片(4)透射至透镜(5)，经透镜(5)聚焦到振荡池(6)中，并与振荡池(6)中的布里渊介质产生受激布里渊散射效应，所述散射效应产生的透射光为系统输出的时域平顶光束，布里渊介质的声子寿命在0ns～0.3ns之间。本发明具有使用装置简单、适用波长范围广、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学领域，具体涉及的是一种利用受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法。
背景技术
一般激光器输出的脉冲波形是高斯型，但是有些领域却需要平顶脉冲的激光光束，例如在激光材料加工(如激光焊接和激光钻孔)，激光核聚变，激光临床医学(如准分子激光治疗近视)，激光平版印刷，探测阵列激光雷达，激光扫描，光学信息处理、存储和记录等领域均需要时域平顶光束，因此时域平顶光束的研究具有一定的意义。目前对平顶光束的研究主要集中在空域，时域研究比较少，T.Kanabe曾用脉冲堆积方法获得过时域平顶光束，但是使用装置过于复杂，实际应用受到了一定的限制。
关于受激布里渊散射用于产生相位共轭光和压缩激光脉冲等已经有广泛研究，所研究的都是布里渊介质中后向散射光(Stokes光)的特性。而对受激布里渊散射光限幅(产生受激布里渊散射效应之后的透射光)时域脉冲波形的特性却少有研究。当泵浦光能量超过受激布里渊散射阈值时，泵浦光与布里渊介质发生较强的受激布里渊散射作用，导致泵浦光能量迅速地向Stokes光能量转移，进而导致受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形具有非常平的限幅特性。
2004年《物理学报》第53期发表的《受激布里渊散射介质CCl4中脉冲传输与功率限幅特性》首次研究了受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形。结果表明，虽然一次受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形具有平的限幅特性，但是时域脉冲波形前面有一个尖峰，后面才是平台。这是因为受激布里渊散射的产生是基于介质声子场建立，它的建立需要一定的弛豫时间，该弛豫时间之内泵浦光前沿能量直接透过布里渊介质，向Stokes场转移不彻底，从而导致尖峰的出现。由此可知，若布里渊介质的声子寿命变短，声子场的建立加快，那么泵浦光前沿能量向Stokes场转移的就越彻底，受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形前沿的尖峰就变小，甚至会消失。显然，时域脉冲波形前面的尖峰对光限幅作用是极其不利的。
公开号为CN1740889的《利用两次受激布里渊散射光限幅获得平顶光束的方法》虽然也成功获得了平顶光束，但是此方法使用装置复杂、受激布里渊散射光限幅输出能量损失较大，影响了时域平顶光束的输出效果，对时域平顶光束的应用不够便利。
发明内容
本发明的目的是为了解决非线性限幅机制无法应用于高功率激光系统的防护，及现有获得平顶光束的方法使用装置复杂、受激布里渊散射光限幅输出能量损失大的问题，从而提供了利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，它是基于受激布里渊散射原理的将高斯光变为平顶光束的方法。
本发明的一次受激布里渊散射系统包括1/2波片、偏振片、1/4波片、透镜和振荡池，实现光限幅获得时域平顶光束的方法是：系统输入s偏振泵浦光经1/2波片透射后得到p偏振泵浦光，所述p偏振泵浦光经偏振片透射后入射至1/4波片，经所述1/4波片透射后得到圆偏振泵浦光，所述圆偏振泵浦光经透镜聚焦到振荡池中，并与振荡池中的布里渊介质产生受激布里渊散射效应，所述散射效应产生的透射光为系统输出的时域平顶光束，所述振荡池中的布里渊介质的声子寿命的范围在0ns～0.3ns之间。
本发明的方法具有使用装置简单、适用波长范围广、容易控制等优点，使非线性限幅机制能够应用于高功率激光系统的防护。受激布里渊散射光限幅时域平顶脉冲光束的获得，不仅对时域平顶脉冲光束的应用提供了诸多便利，而且为受激布里渊散射开辟了新的应用领域。
附图说明
图1是一次受激布里渊散射系统结构的示意图，图2～图4是具体实施方式二所述的当系统输入的s偏振泵浦光的波长不同时系统输入/输出的脉冲波形图：图2为系统输入的s偏振泵浦光的时域脉冲波形图，图3为当输入的s偏振泵浦光的波长为1064nm时，系统输出的时域脉冲波形图，图4为当输入的s偏振泵浦光的波长为532nm时，系统输出的时域平顶脉冲波形图，图5～图7是具体实施方式一所述的选用声子寿命不同的布里渊介质时，系统输入/输出的脉冲波形图：图5为系统输入的s偏振泵浦光的时域脉冲波形图，图6为当所述布里渊介质的声子寿命为1.0ns时，系统输出的时域脉冲波形图，图7为当所述布里渊介质的声子寿命为0.1ns时，系统输出的时域平顶脉冲波形图，图8～图10是具体实施方式四所述的系统输入的s偏振泵浦光的波长不同时系统输入/输出的时域脉冲波形图：图8为系统输入的s偏振泵浦光的时域脉冲波形图，图9为当系统输入的s偏振泵浦光的波长为1064nm时，系统输出的时域脉冲波形图，图10为当系统输入的s偏振泵浦光的波长为532nm时，系统输出的时域平顶脉冲波形图，图11～图13是具体实施方式五所述的选用不同的布里渊介质时系统输入/输出的时域脉冲波形图：图11为系统输入的s偏振泵浦光的时域脉冲波形图，图12为当布里渊介质为FC-72时，系统输出的时域脉冲波形图，图13为当布里渊介质为HT-270时，系统输出的时域平顶脉冲波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本具体实施方式。本具体实施方式的一次受激布里渊散射系统由1/2波片2、偏振片3、1/4波片4、透镜5和振荡池6组成，实现光限幅获得时域平顶光束的方法是：系统输入s偏振泵浦光经1/2波片2透射后得到p偏振泵浦光，所述p偏振泵浦光经偏振片3透射后入射至1/4波片4，经所述1/4波片4透射后得到圆偏振泵浦光，所述圆偏振泵浦光经透镜5聚焦到振荡池6中，并与振荡池6中的布里渊介质产生受激布里渊散射效应，所述散射效应产生的透射光为系统输出的时域平顶光束，所述散射效应产生的后向散射的Stokes光经1/4波片4透射后得到s偏振Stokes光，所述s偏振Stokes光被偏振片3反射后偏离所述s偏振Stokes光的入射方向射出，所述振荡池6中的布里渊介质的声子寿命的范围在0ns～0.3ns之间。本具体实施方式所述布里渊介质的声子寿命的优选范围是：在0ns～0.1ns之间，包括0.1ns。
采用模拟的方法验证本具体实施方式所述的方法，实现光限幅获得时域平顶光束的方法是：模拟受激布里渊散射光限幅模型，所选用的泵浦参数、结构参数和布里渊介质参数分别为：系统输入的s偏振泵浦光的重复率为1Hz，脉冲宽度为6ns，发散角为0.45mrad(4倍衍射极限)，能量为30mJ；透镜5的焦距为30cm，振荡池6的长度为60cm；布里渊介质的增益系数为6cm·GW-1，吸收系数为10-3cm-1。当布里渊介质的声子寿命为1.0ns时，如图6中所示，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形的前沿有一个尖峰，后沿才是平台；当布里渊介质的声子寿命为0.1ns时，如图7所示，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形几乎是平顶。
由上面模拟结果可以得出，布里渊介质的声子寿命越短，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形就越平。
本具体实施方式所述方法的原理为：布里渊介质的声子寿命越短，声子场的建立就越快，泵浦光前沿能量向Stokes场转移的就越彻底，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形就越平。
具体实施方式二：本具体实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述系统输入的s偏振泵浦光为短波长泵浦光，波长范围从紫外泵浦光到红外泵浦光。
由布里渊介质的声子寿命与泵浦光的波长的关系为τ＝λ2/4π2η(式中τ为布里渊介质的声子寿命，λ为泵浦光的波长，η为布里渊介质的运动黏度)可知，布里渊介质的声子寿命正比于泵浦光的波长的平方，因此泵浦光的波长越短，布里渊介质的声子寿命就越短，声子场的建立就越快，泵浦光的前沿能量向Stokes场转移的就越彻底，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形就越平。
采用模拟的方法验证本具体实施方式所述的方法，实现光限幅获得时域平顶光束的方法是：模拟受激布里渊散射光限幅模型，所选用的泵浦参数、结构参数和布里渊介质参数分别为：系统输入的s偏振泵浦光的重复率为1Hz，脉冲宽度为6ns，发散角为0.45mrad(4倍衍射极限)，能量为30mJ；透镜5的焦距为30cm，振荡池6的长度为60cm；布里渊介质的增益系数为6cm·GW-1，吸收系数为10-3cm-1。分别选用不同波长的泵浦光作为输入光，当输入的泵浦光的波长为1064nm时，如图3所示，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形的前沿有一个尖峰；当输入的泵浦光的波长为532nm时，如图4所示，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形几乎是平顶。
从上述结果可以得出，系统输入的泵浦光的波长越短，输出的时域脉冲波形就越平。
具体实施方式三：本具体实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述布里渊介质的运动黏度的范围是3.0cSt～18.0cSt。本具体实施方式所述布里渊介质的运动黏度的优选范围是在4.0cSt～15.0cSt之间。
由布里渊介质的声子寿命与其运动黏度的关系为τ＝λ2/4π2η(式中τ为布里渊介质的声子寿命，λ为泵浦光的波长，η为布里渊介质的运动黏度)可知，布里渊介质的声子寿命反比于其运动黏度，因此布里渊介质的运动黏度越大，其声子寿命就越短，声子场的建立就越快，泵浦光前沿能量向Stokes场转移的就越彻底，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形就越平。
具体实施方式四：本具体实施方式是具体实施方式二的一个实施例，本具体实施方式采用激光器1获得系统输入需要的s偏振泵浦光，使用的激光器1型号为Continuum Nd:YAG，所述激光器1输出的s偏振泵浦光的波长的重复率为1Hz，脉冲宽度为6ns，发散角为0.45mrad(4倍衍射极限)。选用的布里渊介质FC-72的参数为：布里渊频移为2200MHz，布里渊线宽为1080MHz，声子寿命为0.3ns，增益系数为6cm·GW-1，吸收系数为10-3cm-1；振荡池6的长度为60cm，透镜5的焦距为30cm。采用一个能量探头7测量系统输出的时域平顶光束的能量，采用一个光电波形探头8探测系统输出的时域平顶光束的脉冲波形并采用数字示波器TDS684A记录，振荡池6中输出的时域平顶光束传输到所述能量探头7的信号接收端和所述光电波形探头8的信号接收端。
使激光器1输出的s偏振泵浦光的波长为1064nm，数字示波器TDS684A记录的波形如图9所示，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形的前沿有一个尖峰，后沿才是平台。使激光器1输出的s偏振泵浦光的波长为532nm，数字示波器TDS684A记录的波形如图10所示，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形几乎是平顶。
具体实施方式五：本具体实施方式是具体实施方式三的一个具体实施例。本具体实施方式采用激光器1获得系统输入需要的s偏振泵浦光，使用的激光器1型号为Continuum Nd:YAG，所述激光器1输入s偏振泵浦光的波长的重复率为1Hz，脉冲宽度为6ns，发散角为0.45mrad(4倍衍射极限)。采用一个能量探头7测量系统输出的时域平顶光束的能量，采用一个光电波形探头8探测系统输出的时域平顶光束的脉冲波形并采用数字示波器TDS684A记录，振荡池6中输出的时域平顶光束传输到所述能量探头7的信号接收端和所述光电波形探头8的信号接收端。
本具体实施方式分别选用运动黏度差异较大两种布里渊介质进行试验，使激光器1输出波长为1064nm的s偏振泵浦光。
选用运动黏度比较小的布里渊介质FC-72，所述布里渊介质FC-72的运动黏度为0.40cSt，其它受激布里渊散射参数为：布里渊频移为1100MHz，布里渊线宽为270MHz，声子寿命为1.2ns，平均分子量为340，沸点为56℃，增益系数为6.0cm·GW-1。吸收系数为10-3cm-1。数字示波器TDS684A记录的波形如图12所示，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形的前沿有一个尖峰，后沿才是平台。
选用运动黏度比较大的布里渊介质HT-270，所述布里渊介质HT-270的运动黏度为11.7cSt，其它受激布里渊散射参数为：布里渊频移为1697MHz，布里渊线宽为8401MHz，声子寿命为0.1ns，平均分子量为1550，沸点为270℃，增益系数为2.3cm·GW-1，吸收系数为10-3cm-1。数字示波器TDS684A记录的波形如图13所示，获得的受激布里渊散射光限幅时域脉冲波形几乎是平顶。
Claims (10)
1、利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，它的一次受激布里渊散射系统包括1/2波片(2)、偏振片(3)、1/4波片(4)、透镜(5)和振荡池(6)，其特征在于实现光限幅获得时域平顶光束的方法是：系统输入s偏振泵浦光经1/2波片(2)透射后得到p偏振泵浦光，所述p偏振泵浦光经偏振片(3)透射后入射至1/4波片(4)，经所述1/4波片(4)透射后得到圆偏振泵浦光，所述圆偏振泵浦光经透镜(5)聚焦到振荡池(6)中，并与振荡池(6)中的布里渊介质产生受激布里渊散射效应，所述散射效应产生的透射光为系统输出的时域平顶光束，所述振荡池(6)中的布里渊介质的声子寿命的范围在0ns～0.3ns之间。
2、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在于所述布里渊介质的声子寿命的范围在0ns～0.1ns之间。
3、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在于所述振荡池(6)中的布里渊介质的声子寿命为0.1ns。
4、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在于所述系统输入的s偏振泵浦光为短波长泵浦光，波长范围从紫外泵浦光到红外泵浦光。
5、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在于所述系统输入的s偏振泵浦光的波长为532nm。
6、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在于所述振荡池(6)中的布里渊介质的运动黏度的范围是3.0cSt到18.0cSt。
7、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在所述振荡池(6)中的布里渊介质的运动黏度的范围是4.0cSt到15.0cSt。
8、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在于所述振荡池(6)中的布里渊介质的运动黏度为11.7cSt。
9、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在于它的一次受激布里渊散射系统还包括一个用于测量系统输出的时域平顶光束的能量的能量探头(7)和一个用于探测系统输出的时域平顶光束的脉冲波形的光电波形探头(8)，所述振荡池(6)中输出的时域平顶光束传输到所述能量探头(7)的信号接收端和所述光电波形探头(8)的信号接收端。
10、根据权利要求1所述的利用一次受激布里渊散射光限幅获得时域平顶光束的方法，其特征在于所述系统输入的s偏振泵浦光的波长的重复率为1Hz，脉冲宽度为6ns，发散角为0.45mrad，所述振荡池(6)的长度为60cm，所述透镜(5)的焦距为30cm。
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