CN101416087B - 用于受激布里渊散射相位共轭镜的相位稳定装置以及使用该装置的光放大设备 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种用于受激布里渊散射相位共轭镜的相位稳定装置以及使用该相位稳定装置的光放大设备。本发明的光放大设备包括偏振器(70)，该偏振器用于使从多个受激布里渊散射相位共轭镜反射的光束偏振并使光束相互干涉。检测器(80)捕获由偏振器(70)的干涉产生的干涉光束，并输出该干涉光束。相位控制器(90)使用由检测器捕获的干涉光束来控制相位。因此，本发明的设备可以长时间地稳定锁定相位，并且可以用在各种工业中并且在需要高重复率和大功率的情况下可以用于科学研究。
Description
技术领域
本发明大体上涉及相位稳定装置以及包括该相位稳定装置的光放大设备，并且更具体地涉及用在使用受激布里渊散射相位共轭镜(下文中被称为“SBS-PCM”)的光放大系统中的相位稳定装置，以及使用这种相位稳定装置的光放大设备。
背景技术
通常，由于受激布里渊散射相位共轭镜反射相位共轭波，因此它可以补偿发生在激光放大过程中的激光束的失真。因此，可以非常方便地将受激布里渊散射相位共轭镜应用于光束合并大功率激光(beam combination high power laser)。参照图1和2描述使用受激布里渊散射相位共轭镜的光束分离放大系统的实例。
图1是示出了使用受激布里渊散射相位共轭镜的传统波前分割放大系统的图。
参照图1，从激光振荡器500发射出的光505在通过第一光放大站(stage)510、第二光放大站540、以及第三光放大站570的同时被放大并且形成为多个光束。即，光505被从偏振光束分束器(下文中称为“PBS”)反射，入射到第一光束阻断器(beam blocker)520上，并从受激布里渊散射相位共轭镜(SBS-PCM)被反射。被反射的光再次穿过PBS并且入射到第一光放大器530上。此后，入射到第一光放大器530上的光在穿过第一光放大器530的同时被放大。被放大的光从SBS-PCM被反射并入射到PBS上。PBS反射入射光并将被反射的光输出至光学扩大器(light expander)535。该光学扩大器535扩大入射光并将被扩大的光输出至第二光放大站540。第二光放大站540设置有第二光束阻断器550，该第二光束阻断器具有与第一光放大站510的第一光束阻断器520相同的结构并且执行相同的功能。然而，第二光放大站540还包括布置在第二光放大器560上游的波前分割光束分束器562。第二光放大器560以2×2阵列形成。在这种情况下，波前分割光束分束器562被用来单独地将光束传输至构成2×2阵列的第二光放大器560的部件。即，在光入射到第二光放大器560上之前，光的波阵面(wavefront)被波前分割光束分束器562分割，并且被分割的光束被沿各自的光轴布置的相应的放大器放大。被放大的光束从SBS-PCM反射，并被合并并入射到PBS上。PBS反射入射光并将被反射的光输出至光束扩大器565。光束扩大器565扩大入射光并将被扩大的光输出至第三光放大站570。在第三光放大站570中，第三光放大器590以4×4阵列形成，而第三光束阻断器580以2×2阵列形成。在这种情况下，波前分割光束分束器582和592被用来将光传输至相应的阵列。
当构造这样一个光放大系统时，期望数目的放大站依次相互连接，因此不仅自由地增大了输出能量且不会损害该光学系统，而且还将重复率保持在相同水平。即，当能量密度由于连续的放大而增大时，如果能量密度不减小，光学系统和激光增益媒介(gain media)可能会被损坏。因此，需要扩大激光，但是激光增益媒介的尺寸也必须增大。这导致激光增益媒介的冷却率降低，并且因此事实上不可能生成具有高重复率的激光。因此，使用了图1的光束合并放大设备，该设备采用增大激光尺寸但保持增益媒介的尺寸不变的方法。
图2是示出了使用受激布里渊散射相位共轭镜的传统振幅分割放大系统的图。
参照图2，振幅分割放大系统被构造成包括用于产生激光的激光振荡器100、用于扩大激光的光束扩大器(BE)101、用于反射被扩大的光的PBS102、用于放大被反射的光的第一放大站200、用于扩大通过第一放大站200放大的光的BE103、用于再次放大通过第一放大站200放大的光的第二放大站300、以及用于扩大通过第二放电站300扩大的光的BE104，并且该振幅分割放大系统还被构造成使得通过第二放大站300放大的光被输出至第三放大站(未示出)。
在第一放大站200中，沿着光学路径布置用于光放大的装置，即，四分之一波片201、PBS202、BE203、法拉第旋转器(FR)204、放大器205、FR206、以及锁相器(PL，Phase Locker)207。进一步，在第二放大站300中，沿着光学路径布置用于光放大的装置，即，PBS301、四分之一波片302、PBS303、45度旋转器304、PBS305、BE306、FR307、放大器308、FR309、以及PL310。
从激光偏振器100输出并且被S-偏振(S-polarized)的光被BE101扩大并且从PBS102反射，被反射的光入射到第一放大站200上。入射到第一放大站200上的光在穿过四分之一波片201的同时被转化成圆偏振光(circularly polarized light)。该圆偏振光被PBS202进行振幅分割，因此该圆偏振光的一部分(P-偏振光)从PBS202被反射而圆偏振光的剩余部分(S-偏振光)通过PBS202。P偏振激光和S偏振激光在通过由BE203、FR204、放大器205、FR206、以及PL207形成光学路径时被分别放大，并随后以相同的偏振状态通过PBS202或从该PBS被反射。激光束在四分之一波片201的前方被合并，并且被进行圆偏振，这与激光束被振幅分割之前的光相似。此后，圆偏振光通过四分之一波片201并且被转换成P偏振激光。进一步，以这种方式放大的激光经过PBS102并且通过BE103扩大。
随后，被BE103扩大的光入射到第二放大站300上。操作第二放大站300以将入射光振幅分割成四个光束，并将被放大的光束彼此合并，并将被合并的光输出至随后的第三放大站(未示出)。第二放大站300的PBS301将入射光输出至四分之一波片302。PBS303将从四分之一波片302输出的光进行振幅分割，使P偏振激光从其中通过，并反射S偏振激光，并将通过的激光和被反射的激光单独地输出至45度旋转器304。在这种情况下，为了将单个激光束振幅分割成两个光束，将45度旋转器304连接至两个PBS305的组合，因此形成了2×2阵列结构。当P偏振激光和S偏振激光通过45度旋转器304时，每个光束的偏振都旋转了45度。此后，每个偏振光束均被随后的光学装置(即，PBS305)振幅分割成两个光束。因为在与上述第一放大站200相同的构造上执行相同的功能，所以省略随后的步骤。当波束通过并返回到45度旋转器304时，偏振被旋转了45度，随后又旋转了45度，因此偏振没有改变。因此，由于使用45度旋转器和PBS的振幅分割可无限地进行，因而如果在第二放大站300之后设置额外的放大站则无限的能量放大是可能的。
用在图1的光束合并光放大设备中的光束分束器采用波前分割的方法，该方法在图3a中示出。
如图3a中所示，波前分割光束分束器将入射光a分割成两个输出光束b。即，波前分割法将激光分割成两个小激光束。
与此同时，除了波前分割法以外，光束分束器还可以使用图2的振幅分割法。该方法在图3b中示出。
参照图3b，振幅分割光束分束器将入射光a分成两个输出光束b，以使得一个输出光束通过该光束分束器而另一个输出光束从该光束分束器被反射。即，在振幅分割法中，两个光束仅仅是能量被分割了，而它们的尺寸没有被改变。与振幅分割法相比，应用于传统的光放大设备的波前分割法不能具有与主偏振器的形状一致的激光形状，从而对于必须以激光形状加工放大器的增益媒介的截面来说比较困难。对此的原因是当增益媒介的截面与入射光的形状不同时，放大效率可能降低。进一步，激光的空间分布包括高空间频率，因此当反射通过SBS-PCM而发生时，相位共轭可能会被破坏。进一步，在当光束被放大之后被合并时两个光束的相位在这两个光束相交的区域中相互不同的情况下，会发生强度尖峰(intensityspike)，因此使光的空间分布变差。
然而，因为受激布里渊散射由随机噪音引起，所以被反射的光束具有随机相位。因此，被合并的激光束具有空间上不同的相位分布。在图1的情况(波前分割)中，尖峰在边界处发生，而在图2的情况(振幅分割)中，会发生能量损失。因此，为了将SBS-PCM应用于光束合并激光系统，各个反射光束的相位被锁定，且相位之间的相位差必须是零。
下面描述控制SBS-PCM的反射光束的相位的传统方法。
图4是示出了基于使用SBS-PCM的焦点重叠法的传统相位锁定方法的构造图；
参照图4，实施该方法以在使光束的焦点相互重叠的同时将多个波束的焦点会聚到单个SBS-PCM的散射媒介上。即，使前进的光束通过聚光透镜，因此多个光束在相互重叠的同时聚焦在SBS-PCM上。
图5是示出了基于使用受激布里渊散射相位共轭镜的斯托克斯波(Stoke wave)的后部播种(back-seeding)的传统相位锁定方法的构造图。
参照图5，术语“斯托克斯波”是指具有与通过受激布里渊散射反射的反射波相同的频率的激光束。实施该方法以使得后部播种激光束通过焦点，从而放大该后部播种激光束。即，入射播种波束在通过由光学装置形成的光学路径之后入射到SBS-PCM上，并从SBS-PCM被反射，从而生成并放大后部播种激光束。
图6是示出了使用受激布里渊散射和自波束反馈(self-beamfeedback)的锁定激光束相位的第一种传统方法的构造图，而图7是示出了使用受激布里渊散射和自波束反馈的锁定激光束相位的第二种传统方法的构造图。即，图6和7示出了自相位控制法，该方法使用凹面镜和压电式换能器(PZT)而使得入射激光束通过SBS-PCM并且将激光束送回至受激布里渊散射媒介，因此控制噪声。具体地，自相位控制法有利处在于它们能控制斯托克斯波束的相位，而无需考虑波束的数目。
然而，在光束合并激光系统中，除了受激布里渊散射的随机相位自身以外，短期或长期的相位移动可能是一个问题，这种相位移动由于密度的改变(由媒介对光学路径的热效应引起)或密度的不均匀性(由对流引起)、以及光学路径的长度变化(由光学装置的震动和热膨胀引起)而发生。然而，在传统的相位锁定法中，由于控制斯托克斯波的相位时没有考虑这个问题，因此相位不能被有效地控制。
因此，为了充分锁定SBS-PCM的反射光束的相位，除了传统的相位控制法以外还需要新的相位稳定方法。
发明内容
因而，本发明已经考虑了上述问题，且本发明的目的是提供一种稳定装置以及使用该稳定装置的光放大设备，该稳定装置通过采用使用反馈电路的相位稳定方法能够实现充分的相位控制，因此能够制造具有高重复率并具有大功率的激光系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于多个受激布里渊散射相位共轭镜的相位稳定装置，该装置包括：偏振器(或偏光镜)，用于使从多个受激布里渊散射相位共轭镜反射的光束偏振并使光束相互干涉；检测器，用于捕获由偏振器的干涉产生的干涉光束(interfering beam)并输出该干涉光束；以及相位控制器，用于使用由检测器捕获的干涉光束来控制相位。
优选地，相位控制器可以控制布置在受激布里渊散射相位共轭镜下游的特定光学装置(镜)的位置，或者可以控制布置在通向受激布里渊散射相位共轭镜的光学路径上的特定光学装置(玻璃板)的角度，因而控制光学路径的长度。
进一步，本发明提供了一种使用多个受激布里渊散射相位共轭镜的光学放大设备，该设备包括：偏振光束分束器，用于根据入射光的偏振来反射部分入射光并使剩余部分的入射光通过该偏振光束分束器；放大单元，用于放大从偏振光束分束器反射的并通过偏振光束分束器的光束；以及相位控制单元，用于控制被放大的光束的相位。
优选地，相位控制单元可以包括：偏振器，用于对由放大单元反射的光束进行偏振并使被反射的光束相互干涉；检测器，用于捕获由偏振器的干涉而产生的干涉光束并输出干涉光束；以及相位控制器，用于使用由检测器捕获的干涉波束控制相位。
优选地，相位控制器可以控制布置在受激布里渊散射相位共轭镜下游的特定光学装置(镜)的位置，或者可以控制布置在通向受激布里渊散射相位共轭镜的光学路径上的特定光学装置(玻璃板)的角度，因此控制光学路径的长度。
附图说明
图1是示出了使用受激布里渊散射相位共轭镜的传统波前分割放大系统的图；
图2是示出了使用受激布里渊散射相位共轭镜的传统振幅分割放大系统的图；
图3是示出了振幅分割法与波前分割法的比较图；
图4是示出了基于使用传统的受激布里渊散射相位共轭镜的焦点重叠法的传统相位锁定方法的构造图；
图5是示出了基于使用受激布里渊散射相位共轭镜的斯托克斯波的后部播种的传统相位锁定方法的构造图；
图6是示出了使用受激布里渊散射和自波束反馈的锁定激光束相位的第一种传统方法的构造图；
图7是示出了使用受激布里渊散射和自波束反馈的锁定激光束相位的第二种传统方法的图；
图8是示出了根据本发明实施例的使用用于受激布里渊散射相位共轭镜的稳定装置的放大系统的图；以及
图9是示出了根据本发明另一实施例的使用用于受激布里渊散射相位共轭镜的稳定装置的基础放大系统的图。
具体实施方式
下文中，将参照图8和9详细描述本发明的实施方式。
图8是示出了根据本发明实施例的使用用于受激布里渊散射相位共轭镜的稳定装置的放大系统的图。
参照图8，该系统使用振幅分割法分割光束，并且通过使用相位控制模块(block)反馈反射光束来控制压电换能器(PZT)56，该相位控制模块包括偏振器70、检测器80、以及相位控制器90，从而调整焦点的位置。
图8的系统包括：用于生成激光的激光振荡器10、用于扩大激光的光束扩大器(BE)20、以及用于反射被扩大的光的第一偏振光束分束器(PBS)30。而且，用于放大由第一PBS 30反射的光的放大模块包括：第二PBS 50和第三PBS 60；第一至第四法拉第旋转器(FR)51、61、53和63；第一放大器52和第二放大器62；第一SBS-PCM 54和第二SBS-PCM 64；第一镜55和第二镜65；以及PZT 56。进一步，用于控制被放大的光的相位的相位控制模块包括：偏振器70、检测器80、以及用于控制第一镜55的位置以控制光的相位的相位控制器90。
在图8中，该系统包括两个光放大模块，一个放大模块以参考标号50至56表示，而余下的放大模块以参考标号60至65表示。在这种情况下，通过第一PBS 30对激光束进行振幅分割，被分割的激光束相互合并。从激光振荡器10输出的并且进行S偏振的光束被BE 20扩大并被第一PBS 30反射。此后，激光束在通过四分之一波片40的同时被转换成圆偏振光。部分圆偏振光(P偏振光)通过第二PBS50，而剩余部分的圆偏振光(S偏振光)从第二PBS50被反射。已经通过第二PBS50并且进行P偏振的激光束通过穿过第一FR51、第一放大器52、第二FR53、第一SBS-PCM54、第一镜55、以及PZT56之后返回到第一FR51的光学路径而放大。返回的光是P偏振的，同它入射之前的光的偏振状态一样。已经从第二PBS50反射并且为S偏振的激光束从第三PBS60反射并且在通过FR61、第二放大器62、第四FR63、第二SBS-PCM64、以及第二镜65之后返回到第三FR61。返回的反射光从第三PBS60被反射。此时，反射光是S偏振的，同它入射之前的光的偏振状态一样。
在这种情况下，已经被放大并且为P偏振的激光束通过第二PBS50，S偏振的激光束被从第二PBS50反射，并且该激光束在四分之一波片40前彼此合并。当待合并的两个光束的相位彼此相同时，合并的光束为圆偏振，同它被分割之前一样。此后，该圆偏振光束通过四分之一波片40并且被转换成P偏振激光束。此后，合并的激光束通过第一PBS30并且被光束扩大器扩大，并且被扩大的光入射到随后的放大站上。
在这种情况下，自相位控制方法可以用作相位锁定器(phaselocker)以用于锁定从相应的SBS-PCM54和64反射的波的相位，但是增加反馈部件(其是独立的相位控制模块)，从而消除相位移动。因为部分光束从第二PBS50向上泄漏，所以相位控制模块允许该反射光束(由虚线表示)通过偏振器70，从而引起干涉。在这种情况下，反射光束包括从第一SBS-PCM54和第二SBS-PCM64反射的两个光束。偏振器70使这两个反射光束偏振，从而，获得干涉光束。之后，检测器80捕获通过偏振器70的偏振而获得的干涉光束，并将干涉光束输出至相位控制器90。相位控制器90使用干涉光束控制第一镜55的位置，因而控制光束的相位。即，为了使干涉波束的能量均匀，调整附着有PZT56的第一镜55的位置，从而调整光学路径的长度。
图9使示出根据本发明另一实施例的使用用于受激布里渊散射相位共轭镜的稳定装置的基础放大系统的图。
在图9中，使用相位控制模块调整玻璃板57的入射角，从而调整光学路径的长度。图9示出了这样的系统，该系统中，以相同的方式操作使用与图8中的参考标号相同的参考标号的部件，并且该系统通过使用相位控制模块调整光学路径的长度来补偿从第一SBS-PCM54和第二SBS-PCM64反射的光束的相位移动。然而，图9的系统与图8的系统的不同之处仅在于：通过调整布置在光学路径上的玻璃板57的入射角来调整光学路径的长度，而不是通过调整布置在第一SBS-PCM54下游的镜的位置来调整光学路径的长度。在这种情况下，玻璃板57可以布置在SBS-PCM54的上游或下游。
如上所述，本发明包括使用相位控制模块来补偿SBS-PCM的反射波的相位移动的所有方法，且可认为图8和9是这些方法的实例。
图8和图9都示出了通过相位控制模块反馈反射光束来控制光学路径的长度，从而补偿由于密度的变化(由媒介的热效应引起)或密度的不均匀性(由对流引起)、以及光学路径长度的变化(由光学装置的振动和热膨胀引起)而引起的短期或长期相位移动的方法。以这种方式，本发明包括使用反馈法补偿SBS-PCM的反射波的相位移动的所有方法。因此，当根据本发明的用于稳定SBS-PCM波束的相位的装置应用于波束分束激光放大器时，可以制造对于能量放大没有限制并且具有高重复率和大功率的激光系统。
工业适用性
如上所述，由于本发明的系统可以长时间地稳定锁定光的相位，因此它可以用在各种工业中并且在需要高重复率和大功率的情况下还可以用于科学研究。
Claims (10)
1.一种用于多个受激布里渊散射相位共轭镜的相位稳定装置，包括：
偏振器，用于使从所述多个受激布里渊散射相位共轭镜反射的光束偏振并使所述光束相互干涉；
检测器，用于捕获由所述偏振器的干涉而引起的干涉光束并输出所述干涉光束；以及
相位控制器，用于利用由所述检测器捕获的所述干涉光束通过改变光学路径的长度来控制相位。
2.根据权利要求1所述的相位稳定装置，其中，所述相位控制器控制布置在所述受激布里渊散射相位共轭镜下游的特定光学装置的位置，从而控制光学路径的长度。
3.根据权利要求2所述的相位稳定装置，其中，所述光学装置是镜子。
4.根据权利要求1所述的相位稳定装置，其中，所述相位控制器控制布置在通向受激布里渊散射相位共轭镜的光学路径上的特定光学装置的角度，从而控制光学路径的长度。
5.根据权利要求4所述的相位稳定装置，其中，所述光学装置是玻璃板。
6.一种使用多个受激布里渊散射相位共轭镜的光放大设备，包括：
偏振光束分束器，用于根据入射光的偏振来反射所述入射光的一部分并使所述入射光的剩余部分通过所述偏振光束分束器；
放大单元，用于放大从所述偏振光束分束器反射的光束以及通过所述偏振光束分束器的光束；以及
相位控制单元，用于控制被放大的光束的相位，其中，所述相位控制单元包括：
偏振器，用于使从所述放大单元反射的光束偏振并使反射光束相互干涉；
检测器，用于捕获由所述偏振器的干涉引起的干涉光束并输出所述干涉光束；以及
相位控制器，用于利用由所述检测器捕获的所述干涉光束通过改变光学路径的长度来控制相位。
7.根据权利要求6所述的光放大设备，其中，所述相位控制器控制布置在所述受激布里渊散射相位共轭镜下游的特定光学装置的位置，从而控制光学路径的长度。
8.根据权利要求7所述的光放大设备，其中，所述光学装置是镜子。
9.根据权利要求6所述的光放大设备，其中，所述相位控制器控制布置在通向所述受激布里渊散射相位共轭镜的光学路径上的特定光学装置的角度，从而控制光学路径的长度。
10.根据权利要求9所述的光放大设备，其中，所述光学装置是玻璃板。
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