CN101430475B - 一种强激光相位共轭镜 - Google Patents

Abstract

一种强激光相位共轭镜，属于光学领域。目的是解决现有强激光相位共轭手段单纯采用受激布里渊散射(SBS)技术而表现出的适用性差的问题。本发明提出一种融合布里渊增强四波混频(BEFWM)及SBS机制的复合型相位共轭的方法及应用该方法设计的相位共轭镜。其中由BEFWM产生高质量相位共轭光种子，再通过受激布里渊放大完成高效放大，由此使装置兼备无阈值、高保真，稳定性及瞬态、稳态适应性好以及转换效率高等优点，实现了BEFWM与SBS两种相位共轭技术的优势互补，同时具备高的激光负载能力。BEFWM与SBS的复合作用通过对各光束的偏振控制以及各光束的作用延时来实现，本发明尤其适用于高功率及高能短脉冲的强激光系统。

Description

一种强激光相位共轭镜

技术领域

本发明涉及一种相位共轭镜，属于光学领域。

背景技术

将相位共轭镜(PCM)用于高强度(指高脉冲能量、高功率)激光装置中，对于提升光束质量和降低系统造价均具有重要意义。长期以来，人们一直在努力探索提高PCM保真度、稳定性、负载能力以及稳态和瞬态适应性的方法，以满足强激光系统的应用要求，从而实现其真正意义上的实用化。

受激布里渊散射(SBS)和布里渊增强四波混频(BEFWM)是两种最具应用潜力的相位共轭实现手段。其中SBS结构简单，转换效率高(最高可达95％)，是目前强激光PCM采用的主流技术。然而其共轭声子模起源于介质内的声学噪声，这一固有特性使其存在阈值，在高强度激光作用下保真度及稳定性均无法得到保证，并且SBS多采用聚焦结构，其介质难以承载高的激光功率和能量；相反，BEFWM起始声子场由光波相干拍频驱动形成，不受介质声学驰豫时间制约，且结构上不需聚焦，具有响应快、保真度高、稳定性好等优点，其性能特征恰好与SBS形成鲜明对比。然而BEFWM以往多作为微弱光信号高倍率放大的手段来研究和利用，虽然对小信号有很高的反射率，但系统转换效率却相对较低，在强激光应用中将难以满足实际需要。

高强度激光共轭镜单独应用SBS或BEFWM时都有各自的缺点，不能兼顾具有高相位共轭质量、高稳定性、高转换效率、高响应速度以及高负载能力。

发明内容

本发明的目的是解决现有强激光相位共轭手段单纯采用SBS技术而表现出的适用性差的问题，提供一种强激光相位共轭镜。

本发明包括偏振片、激光放大器链、45°法拉第旋光器、45°转子、二分之一波片、厚玻璃平板、主介质池、光阑、四分之一波片、短焦正透镜和副介质池，

偏振片与光路呈布儒斯特角放置，二分之一波片与光路垂直放置，但其自身光轴与45°转子出射光的偏振方向的夹角在2.7°～3.1°之间，使得二分之一波片的出射光经厚玻璃平板后形成的主激光含有P偏振态分量和S偏振态分量，厚玻璃平板与水平方向的夹角为45°，厚玻璃平板的下表面镀有高反射膜。

P态的入射光经偏振片透射后被激光放大器链放大，并输出至45°法拉第旋光器，经45°法拉第旋光器、45°转子和二分之一波片透射至厚玻璃平板，在厚玻璃平板的上下表面分成两路光束，一路为厚玻璃平板上表面4％的反射光形成P偏振态的第一参考光，另一路为经厚玻璃平板下表面全反射形成的主激光并进入主介质池中，先进入主介质池的第一参考光透过光阑后透射至四分之一波片变成圆偏振光，所述圆偏振光经短焦正透镜聚焦至副介质池中，并在副介质池中产生受激布里渊散射光反向输出，所述受激布里渊散射光经四分之一波片成为S偏振态的第二参考光进入主介质池中，经非线性光学作用后，沿主激光反向输出相位共轭光，所述相位共轭光经厚玻璃平板反射至二分之一波片，经45°转子和45°法拉第旋光器转换成S偏振态光反向经激光放大器链放大，最后经偏振片反射输出。

对于半高宽度大于2纳秒的激光脉冲，以上方案中的厚玻璃平板可由第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜和单面增透窗片构成的延迟光路代替，二分之一波片的出射光在单面增透窗片处分成两束，一束为经单面增透窗片反射形成的第一参考光，另一束光透射单面增透窗片至第一全反镜，全反射至与第一全反镜垂直的第二全反镜，再经第二全反镜全反射至与第二全反镜平行设置的第三全反镜，经第三全反镜反射输出主激光。

本发明的优点是：

1、输出的相位共轭光在相位共轭质量上具备BEFWM所有的优良品质，包括共轭度高(且为矢量相位共轭)、响应速度快、无阈值、稳定性好等；

2、相位共轭光的高效放大由受激布里渊放大过程完成，使系统具备高的能量转换效率；

3、在主介质池中作用时，入射的光束不需要聚焦，因而本发明具备承载高负载激光的能力。

附图说明

图1是本发明获取相位共轭光的光束整体结构示意图，图2是获取相位共轭光的方法的工作原理示意图，其中

代表P偏振态光束，

代表S偏振态光束，图3是实施方式六结构示意图，图4是实施方式八结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式一种强激光高品质相位共轭光获取方法，沿主介质池7的一侧入射主激光E₃和P偏振态的第一参考光E_1P，沿主介质池7的另一侧入射S偏振态的第二参考光E_2S，

入射的主激光E₃包括P偏振态分量E_3P和S偏振态分量E_3S，其中S偏振态分量E_3S的强度是第一参考光E_1P强度的0.8～1.2倍，

同时入射的第一参考光E_1P和第二参考光E_2S同轴相向传播，主激光E₃的入射时间比第一参考光E_1P的入射时间延迟0.3个脉冲半高宽～0.6个脉冲半高宽时间，第一参考光E_1P的强度是第二参考光E_2S的强度的2倍～5倍，第一参考光E_1P的入射方向与主激光E₃的入射方向的夹角θ为0.01度～10度，

主激光E₃的S偏振态分量E_3S在主介质池7中与第二参考光E_2S相遇并发生干涉，其干涉形成拍频并在主介质池7中的介质内驱动起稳定的声学波ρ_FWM，第一参考光E_1P受到所述声学波ρ_FWM散射形成Stokes频移光，所述Stokes频移光与主激光E₃相位共轭，将所述Stokes频移光命名为相位共轭光E_4P，所述相位共轭光E_4P在沿主激光E₃的光路反向传输过程中被主激光E₃的P偏振态分量E_3P不断放大，直至相位共轭光E_4P从主介质池7中输出。

主激光E₃与第二参考光E_2S存在一定夹角，其大小在0.01度～10度之间，S偏振态分量E_3S与第二参考光E_2S在主介质池7中相遇后发生干涉，由于其二者相差布里渊频移，其干涉将形成拍频并在主介质池7中的介质内驱动起以声速传播的稳定的密度波，即声学波ρ_FWM。对于光波来说，所述声学波ρ_FWM相当于一个运动着的布拉格相位光栅，所述声学波ρ_FWM一经形成，便构成了对第一参考光E_1P的散射，形成与主激光E₃的P偏振态分量E_3P相位共轭的相位共轭光E_4P，这是在主介质池7内发生的布里渊增强四波混频(BEFWM)过程，因此而产生了无阈值、共轭度高、稳定性及瞬态适应性好的初始共轭光种子——相位共轭光E_4P，相位共轭光E_4P在沿主激光E₃的光路反向传输过程中与同处于P偏振态的P偏振态分量E_3P驱动形成一列声波场ρ₃₄，构成一组布里渊放大，由于在空间上相位共轭光E_4P与P偏振态分量E_3P是共轭的，所以E_4P很容易获得高的增益，从而实现对充当抽运光的P偏振态分量E_3P高效率的能量提取。

在主介质池7中存在两个物理过程：首先通过Stokes型偏振去耦BEFWM获得相位共轭度高、稳定性及瞬态响应性好的起始共轭种子光——相位共轭光E_4P；而相位共轭光E_4P的增长则以布里渊放大为主，从而保证了高的能量转换效率，由此实现了BEFWM与SBS的优势互补。

在主介质池7中，声学波ρ_FWM形成后，也会对主激光E₃的P偏振态分量E_3P造成散射生成寄生光E_2P。寄生光E_2P是我们不需要的，要尽可能的降低寄生光E_2P的水平，本实施方式中设定了各光束之间的强度关系及入射时间的前后关系，在这种配置下，寄生光E_2P可以忽略不计。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，主激光E₃的S偏振态分量E_3S强度是第一参考光E_1P的强度的1倍，其它步骤和技术参数与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，主激光E₃的入射时间比第一参考光E_1P的入射时间延迟0.5个脉冲半高宽时间，其它步骤和技术参数与实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，第一参考光E_1P的强度是第二参考光E_2S的强度的2倍，其它步骤和技术参数与实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，第一参考光E_1P的入射方向与主激光E₃的入射方向的夹角θ为2度～6度，其它步骤和技术参数与实施方式一相同。

具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式实现实施方式一所述的一种强激光高品质相位共轭光获取方法的相位共轭镜，它包括偏振片1、激光放大器链2、45°法拉第旋光器3、45°转子4、二分之一波片5、厚玻璃平板6、主介质池7、光阑8、四分之一波片9、短焦正透镜10和副介质池11，

偏振片1与光路呈布儒斯特角放置，二分之一波片5与光路垂直放置，但其自身光轴与45°转子4出射光的偏振方向的夹角在2.7°～3.1°之间，使得二分之一波片5的出射光经厚玻璃平板6后形成的主激光E₃含有P偏振态分量E_3P和S偏振态分量E_3S，厚玻璃平板6与水平方向的夹角为45°，厚玻璃平板6的下表面镀有高反射膜。

P态的入射光经偏振片1透射后被激光放大器链2放大，并输出至45°法拉第旋光器3，经45°法拉第旋光器3、45°转子4和二分之一波片5透射至厚玻璃平板6，在厚玻璃平板6的上下表面分成两路光束，一路为厚玻璃平板6上表面4％的反射光形成P偏振态的第一参考光E_1P，另一路为经厚玻璃平板6下表面全反射形成的主激光E₃并进入主介质池7中，先进入主介质池7的第一参考光E_1P透过光阑8后透射至四分之一波片9变成圆偏振光，所述圆偏振光经短焦正透镜10聚焦至副介质池11中，并在副介质池11中产生受激布里渊散射光反向输出，所述受激布里渊散射光经四分之一波片9成为S偏振态的第二参考光E_2S进入主介质池7中，经非线性光学作用后，沿主激光E₃反向输出相位共轭光E_4P，所述相位共轭光E_4P经厚玻璃平板6反射至二分之一波片5，经45°转子4和45°法拉第旋光器3转换成S偏振态光反向经激光放大器链2放大，最后经偏振片1反射输出。

P态的入射光是由激光器前端产生的，虽然光束质量很高，但是能量很低，通过激光放大器链2可以有效的将其能量放大，但是在放大的同时该光束的波前发生了畸变，光束质量降低，所述P态入射光经过45°法拉第旋光器3和45°转子4后仍恢复为P态，因为二分之一波片5自身光轴与45°转子4出射光的偏振方向的夹角在2.7°～3.1°之间，所以，P态的光束经过二分之一波片5后被调整成带有少量S偏振成分的倾斜线偏振光。

厚玻璃平板6的下表面镀有高反射膜，厚玻璃平板6的上表面反射的光能量有限，约4％，剩余的全部能量是由其下表面全反射出去的，厚玻璃平板6的厚度使得上下表面反射的两束光之间产生了延时，下表面反射形成的主激光E₃相对于上表面反射形成的第一参考光E_1P的入射时间延迟如实施方式一所述的0.3个脉宽～0.6个脉宽时间，厚玻璃平板6的厚度的选取要满足此延迟时间的要求，根据入射的主激光E₃的具体参数及相位共轭镜中各部件的相关参数而定。

经厚玻璃平板6上表面反射的4％的反射光中除了P偏振态的第一参考光E_1P外，还包含有S偏振态的成分，但是因为所含S偏振态的成分比例很小，在此可以忽略不计。

光阑8的作用是让第一参考光E_1P透过去，让与第一参考光E_1P处于一条光路上只是传输方向相反的第二参考光E_2S返回到主介质池7中参与工作，同时阻挡在主介质池7中作用剩余的主激光E₃，使其不进入副介质池11中产生多余的SBS过程。

进入主介质池7的主激光E₃、第一参考光E_1P和第二参考光E_2S在主介质池7中作用的过程如实施方式一所述。

由45°法拉第旋光器3、45°转子4、二分之一波片5组成的偏振控制系统与偏振片1相组合起到对光的单通作用，实现反向共轭光的输出提取。从主介质池7输出的相位共轭光E_4P是P偏振态的，反向经过45°转子4和45°法拉第旋光器3后偏振方向发生变成，变成S偏振态光束，然后第二次经过激光放大器链2，这就使得光束正反两次经过激光放大器链2进行了双程放大，使得第一放大后畸变的光束回复到了最初的高质量的光束，再经偏振片1反射输出我们要的最终光束。

具体实施方式七：本实施方式与实施方式六的不同之处在于，短焦正透镜10焦距为5cm～15cm，副介质池11的长度为40cm～80cm，以保证透过光阑8的第一参考光E_1P聚焦区域处于副介质池11内部，其它组成和连接关系与实施方式六相同。

具体实施方式八：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式实现实施方式一所述一种强激光高品质相位共轭光获取方法的相位共轭镜，它包括偏振片1、激光放大器链2、45°法拉第旋光器3、45°转子4、二分之一波片5、第一全反镜6-1、第二全反镜6-2、第三全反镜6-3、单面增透窗片6-4、主介质池7、光阑8、四分之一波片9、短焦正透镜10和副介质池11，

偏振片1与光路呈布儒斯特角放置，二分之一波片5与光路垂直放置，但其自身光轴与45°转子4出射光的偏振方向的夹角在2.7°～3.1°之间，使得二分之一波片5的出射光经第一全反镜6-1、第二全反镜6-2、第三全反镜6-3和单面增透窗片6-4后形成的主激光E₃含有P偏振态分量E_3P和S偏振态分量E_3S。

P态的入射光经偏振片1透射后被激光放大器链2放大，并输出至45°法拉第旋光器3，经45°法拉第旋光器3、45°转子4和二分之一波片5透射至单面增透窗片6-4，二分之一波片5的出射光在单面增透窗片6-4处分成两束，一束为经单面增透窗片6-4反射形成的第一参考光E_1P，另一束光透射单面增透窗片6-4至第一全反镜6-1，全反射至与第一全反镜6-1垂直的第二全反镜6-2，再经第二全反镜6-2全反射至与第二全反镜6-2平行设置的第三全反镜6-3，经第三全反镜6-3反射输出主激光E₃并进入主介质池7中，先进入主介质池7的第一参考光E_1P透过光阑8后透射至四分之一波片9成为圆偏振光，所述圆偏振光经短焦正透镜10聚焦至副介质池11中，并在副介质池11中产生受激布里渊散射光反向输出，所述受激布里渊散射光经四分之一波片9成为S偏振态的第二参考光E_2S进入主介质池7中，经非线性光学作用后，沿主激光E₃反向输出相位共轭光E_4P，所述相位共轭光E_4P经第三全反镜6-3、第二全反镜6-2、第一全反镜6-1和单面增透窗片6-4后，经二分之一波片5，经45°转子4和45°法拉第旋光器3转换成S偏振态光反向经激光放大器链2放大，最后经偏振片1反射输出。

若激光器的工作脉冲宽度在2纳秒及以上水平，则在主激光E₃光路上需采用光路延迟，本实施方式给出这一延迟光路。

具体实施方式九：本实施方式与实施方式八的不同之处在于，短焦正透镜10焦距为5cm～15cm，副介质池11的长度为40cm～80cm，以保证透过光阑8的第一参考光E_1P聚焦区域处于副介质池11内部，其它组成和连接关系与实施方式八相同。

Claims (4)

1.一种强激光相位共轭镜，其特征在于它包括偏振片(1)、激光放大器链(2)、45°法拉第旋光器(3)、45°转子(4)、二分之一波片(5)、厚玻璃平板(6)、主介质池(7)、光阑(8)、四分之一波片(9)、短焦正透镜(10)和副介质池(11)，

偏振片(1)与光路呈布儒斯特角放置，二分之一波片(5)与光路垂直放置，但其自身光轴与45°转子(4)出射光的偏振方向的夹角在2.7°～3.1°之间，使得二分之一波片(5)的出射光经厚玻璃平板(6)后形成的主激光(E₃)含有P偏振态分量(E_3P)和S偏振态分量(E_3S)，厚玻璃平板(6)与水平方向的夹角为45°，厚玻璃平板(6)的下表面镀有高反射膜，

P态的入射光经偏振片(1)透射后被激光放大器链(2)放大，并输出至45°法拉第旋光器(3)，经45°法拉第旋光器(3)、45°转子(4)和二分之一波片(5)透射至厚玻璃平板(6)，在厚玻璃平板(6)的上下表面分成两路光束，一路为厚玻璃平板(6)上表面4％的反射光形成P偏振态的第一参考光(E_1P)，另一路为经厚玻璃平板(6)下表面全反射形成的主激光(E₃)并进入主介质池(7)中，先进入主介质池(7)的第一参考光(E_1P)透过光阑(8)后透射至四分之一波片(9)变成圆偏振光，所述圆偏振光经短焦正透镜(10)聚焦至副介质池(11)中，并在副介质池(11)中产生受激布里渊散射光反向输出，所述受激布里渊散射光经四分之一波片(9)成为S偏振态的第二参考光(E_2S)进入主介质池(7)中，经非线性光学作用后，沿主激光(E₃)反向输出相位共轭光(E_4P)，所述相位共轭光(E_4P)经厚玻璃平板(6)反射至二分之一波片(5)，经45°转子(4)和45°法拉第旋光器(3)转换成S偏振态光反向经激光放大器链(2)放大，最后经偏振片(1)反射输出。

2.根据权利要求1所述的一种强激光相位共轭镜，其特征在于短焦正透镜(10)焦距为5cm～15cm，副介质池(11)的长度为40cm～80cm，以保证透过光阑(8)的第一参考光(E_1P)聚焦区域处于副介质池(11)内部。

3.一种强激光相位共轭镜，其特征在于它包括偏振片(1)、激光放大器链(2)、45°法拉第旋光器(3)、45°转子(4)、二分之一波片(5)、第一全反镜(6-1)、第二全反镜(6-2)、第三全反镜(6-3)、单面增透窗片(6-4)、主介质池(7)、光阑(8)、四分之一波片(9)、短焦正透镜(10)和副介质池(11)，

偏振片(1)与光路呈布儒斯特角放置，二分之一波片(5)与光路垂直放置，但其自身光轴与45°转子(4)出射光的偏振方向的夹角在2.7°～3.1°之间，使得二分之一波片(5)的出射光经第一全反镜(6-1)、第二全反镜(6-2)、第三全反镜(6-3)和单面增透窗片(6-4)后形成的主激光(E₃)含有P偏振态分量(E_3P)和S偏振态分量(E_3S)，

P态的入射光经偏振片(1)透射后被激光放大器链(2)放大，并输出至45°法拉第旋光器(3)，经45°法拉第旋光器(3)、45°转子(4)和二分之一波片(5)透射至单面增透窗片(6-4)，二分之一波片(5)的出射光在单面增透窗片(6-4)处分成两束，一束为经单面增透窗片(6-4)反射形成的第一参考光(E_1P)，另一束光透射单面增透窗片(6-4)至第一全反镜(6-1)，全反射至与第一全反镜(6-1)垂直的第二全反镜(6-2)，再经第二全反镜(6-2)全反射至与第二全反镜(6-2)平行设置的第三全反镜(6-3)，经第三全反镜(6-3)反射输出主激光(E₃)并进入主介质池(7)中，先进入主介质池(7)的第一参考光(E_1P)透过光阑(8)后透射至四分之一波片(9)成为圆偏振光，所述圆偏振光经短焦正透镜(10)聚焦至副介质池(11)中，并在副介质池(11)中产生受激布里渊散射光反向输出，所述受激布里渊散射光经四分之一波片(9)成为S偏振态的第二参考光(E_2S)进入主介质池(7)中，经非线性光学作用后，沿主激光(E₃)反向输出相位共轭光(E_4P)，所述相位共轭光(E_4P)经第三全反镜(6-3)、第二全反镜(6-2)、第一全反镜(6-1)和单面增透窗片(6-4)后，经二分之一波片(5)，经45°转子(4)和45°法拉第旋光器(3)转换成S偏振态光反向经激光放大器链(2)放大，最后经偏振片(1)反射输出。

4.根据权利要求3所述的一种强激光相位共轭镜，其特征在于短焦正透镜(10)焦距为5cm～15cm，副介质池(11)的长度为40cm～80cm，以保证透过光阑(8)的第一参考光(E_1P)聚焦区域处于副介质池(11)内部。

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