CN101806717B - 激光束非线性传输特性的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种激光束非线性传输特性的测量装置，该装置由激光器、可调衰减片、半透半反镜、全反镜、第一反射衰减器、步进电机、非线性介质盒、第二反射衰减器、第三反射衰减器、第一CCD和第二CCD组成，本发明装置可以实现激光在非线性介质中的传输特性的测量，尤其可以直观地检测到空间频率与小尺度自聚焦效应的关系曲线，且操作简单。

Description

激光束非线性传输特性的测量装置

技术领域

本发明涉及激光束传输特性的测量，特别是一种激光束非线性传输特性的测量装置。

背景技术

在激光惯性约束聚变中，非线性自聚焦效应是限制激光输出功率和破坏光束质量的主要因素之一，其中小尺度自聚焦效应的破坏性更大，这种因小的位相和振幅调制引起的局部非线性折射率使光束变得局部不稳定，使光束分裂成一根根强度很高的细丝，导致激光介质的局部破坏。研究小尺度自聚变在非线性介质中的产生过程和条件，对避免光学元件的损伤破坏，提高激光输出功率有重要的指导作用。

1966年，Baspalov和Talanov首次提出了小尺度自聚焦的线性扰动不稳定性理论，即B-T理论。该理论假定横截面上平均光强是常数，并在传输过程中不随传输距离的增长而增长(或衰减)。在此基础上推导出小尺度扰动的传输方程，进而得到最快增长频率、最大增长系数以及B积分等著名结果。随后，一系列实验验证了B-T理论的正确性，从此该理论被用于指导高功率激光驱动器的设计，也成为分析小尺度自聚焦现象的理论基础。但他们实验所用的都是特定空间频率的调制场，没有反映空间频率与非线性效应之间的关系。为了更好地研究激光的非线性传输特性，需要一种空间频率方便可调的干涉场来作为非线性传输实验的入射场。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光束非线性传输特性的测量装置，以实现激光在非线性介质中的传输特性的测量，尤其可以直观地检测到空间频率与小尺度自聚焦效应的关系曲线。

本发明的技术解决方案如下

一种激光束非线性传输特性的测量装置，其特点在于由激光器、可调衰减片、半透半反镜、全反镜、第一反射衰减器、步进电机、非线性介质盒、第二反射衰减器、第三反射衰减器、第一CCD和第二CCD组成，上述元部件的位置关系如下：

在所述的激光器的激光束输出方向依次是所述的可调衰减片、半透半反镜和第一反射衰减器，该半透半反镜与所述的激光束成45°，该第一反射衰减器由所述的步进电机驱动进行小角度旋转，以调整经所述的半透半反镜的透射光束对所述的第一反射衰减器的入射角度；在所述的半透半反镜的反射方向正交地设置所述的全反镜，所述的半透半反镜到所述的全反镜的光程与半透半反镜到所述的第一反射衰减器的光程相等；

经所述的激光器输出的激光束经可调衰减片进入半透半反镜，该半透半反镜将激光束分为透射的第一光束和反射的第二光束，所述的第二光束垂直地入射到所述的全反镜反射后透过所述的半透半反镜，所述的第一光束经第一反射衰减器反射后经所述的半透半反镜反射后与透过所述的半透半反镜的第二光束合成为合束光束；

在所述合束光束的前进方向依次是非线性介质盒和第三反射衰减器，所述的非线性介质盒的入射表面为一斜面，在该斜面的反射方向是所述的第二反射衰减器，在第二反射衰减器的反射方向是所述的第一CCD，在所述的第三反射衰减器的反射方向是所述的第二CCD。

所述的非线性介质盒内充满非线性介质CS₂或其它非线性介质。

所述的第三反射衰减器由一个以上反射衰减器组成。

所述的激光器是钛宝石激光器，或其它激光器。

本发明的技术效果：

1、本发明采用迈克尔逊干涉仪的分束光路使光束分成两束，然后分别经反射镜反射后叠加，用步进电机控制第一反射镜的小角度旋转，用非线性介质产生非线性效应，用光电耦合器件(CCD)接收光场，去探测光场的分布。

采用迈克尔逊干涉仪的分束光路，用于保证分束后的两个光场所经过的光程相等，并可对光场进行空间补偿；

2、所述衰减器为可调衰减片，用于调节激光束进入非线性介质之前的功率；所述的半透半反镜，用于激光分束，将光场分为扰动光场和本底光场；第一反射衰减器用于保证扰动场的振幅远小于本底场的振幅；第二、第三反射衰减器用于保证进入CCD的激光功率不会超过其可承受的阈值。

3、所述非线性介质是CS₂，非线性折射率为n₂＝1.12×10^-11esu，封装CS₂的容器窗口做成斜面，用于光束进行非线性传输之前的取样测量。

4、所述步进电机为高分辨率的旋转角度步进电机，用于保证空间频率的微小调制；调制光场的空间频率由第一反射衰减器的转角决定，从而用步进电机控制第一反射衰减器的小角度旋转可以实现调制光场空间频率的实时连续可调。转动第一反射衰减器就可以在CCD上直接观察并检测到激光束的非线性传输特性随空间频率变化。

附图说明

图1是本发明激光束非线性传输特性的测量装置的光路示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明激光束非线性传输特性的测量装置，由激光器1、可调衰减片2、半透半反镜3、全反镜4及第一反射衰减器5、步进电机6、非线性介质盒7、第二反射衰减器8、第三反射衰减器10、第一CCD9和第二CCD11组成，上述元部件的位置关系如下：

在所述的激光器1的激光束输出方向依次是所述的可调衰减片2、半透半反镜3和第一反射衰减器5，该半透半反镜3与所述的激光束成45°，该第一反射衰减器5由所述的步进电机6驱动进行小角度旋转，以调整经所述的半透半反镜3的透射光束对所述的第一反射衰减器5的入射角度；在所述的半透半反镜3的反射方向正交地设置所述的全反镜4，所述的半透半反镜3到所述的全反镜4的光程与半透半反镜3到所述的第一反射衰减器5的光程相等；

所述的激光器1输出的激光束经可调衰减片2进入半透半反镜3，该半透半反镜3将激光束分为透射的第一光束和反射的第二光束，所述的第二光束垂直地入射到所述的全反镜4反射后透过所述的半透半反镜3，所述的第一光束经第一反射衰减器5反射后经所述的半透半反镜3反射后与透过所述的半透半反镜3的第二光束合成为合束光束；

在所述合束光束的前进方向依次是非线性介质盒7和第三反射衰减器10，所述的非线性介质盒7的入射表面为一斜面，在该斜面的反射方向是所述的第二反射衰减器8，在第二反射衰减器8的反射方向是所述的第一CCD9，在所述的第三反射衰减器10的反射方向是所述的第二CCD11。

根据BT理论，将受调制的光场分解为强的本底场与弱的扰动场之和：

E(x，y，z，t)＝E_s(z，t)[1+ε(x，y，z，t)]    (1)

其中，E_s(z，t)是电场在横截面上的平均值，在垂直于光束传输方向的xy平面上振幅与位相均匀分布，ε(x，y，z，t)是扰动场的归一化值无量纲，且满足弱调制条件：|ε|□1，于是求解E(x，y，z，t)的问题分解为分别求本底场E_s(z，t)和扰动场ε(x，y，z，t)。

对传播方向成夹角θ_x的两个光场：

E₁＝A₁exp(-jwt+Φ₁)         (2)

E₂＝A₂exp(-jwt+Φ₂+ksinθ_x) (3)

取E₁的方向为传播方向，当Φ₁＝Φ₂，A₂＝aA₁时，两光场叠加后的调制场为：

E＝E₁+E₂＝Aexp(-jwt){1+aexp[-j(Φ+ksinθ_x)]}

从上式可以看出此时的调制光场与BT理论中的受调制光场的分解式(1)在形式上是相同的。当a＜＜1时，在这里可以把光场E₁看作是本底光场，E₂看作是扰动场，且扰动场的空间频率为q_x＝ksinθ_x(k＝2π/λ₀)，由两个光场的夹角θ_x所决定。

小尺度自聚焦特性主要由其截止频率、最快增长频率、B积分、调制场的增益随输入功率、传输距离的变化来表征。

图1也是本发明一个实施例的附图，所述的激光器1为钛宝石激光器，输出激光脉冲，可调衰减器2可将脉冲功率的调节范围为2mW～800mW。第一反射衰减器5的反射率以保证反射后的光强与反射前相比，远小于1。第一反射衰减镜5的角度由步进电机6来控制，通过调节步进电机6来获得不同空间频率的调制光场。由于第一反射衰减镜5的角度非常小，因此步进电机6要选用角分辨率高的旋转步进电机。所述的非线性介质盒7充满二硫化碳介质，所述的合光束进入二硫化碳介质之前要进行采样测量，将封装二硫化碳液体的容器7的窗口做成有一个小角度的斜面，所述的合光束经该斜面反射当作采样光束，采样光束经第二反射衰减器8反射后进入第一CCD9。第一CCD9所检测的是非线性传输之前的光场分布。所述的合光束通过二硫化碳介质之后经第三反射衰减器10反射后进入第二CCD11，所述的第三反射衰减器的衰减度要保证输出的光强不会超过第二CCD11可承受的阈值。在第二CCD11可以观察到脉冲经过非线性二硫化碳介质传输后的光场分布。第二CCD11中测的的光强分布与第一CCD9中的光强分布的比值即是调制场的增益分布。

在此装置中，α为第一反射衰减器5在步进电机的控制下由原始状态(垂直)所旋转的角度，干扰场与本底场的夹角θ_x＝2α，因而调节所述的步进电机6即可使光场的空间频率(q_x＝ksinθ_x)随之改变。调节所述的步进电机6，观察第二CCD11中的光强分布，当有小尺度调制尖峰出现，此时的空间频率为引发小尺度自聚焦效应的最小空间频率即截止频率；对应着调制场最大增益的空间频率即是最快增长频率；对于确定的输入功率和传输距离，最快增长频率所对应的调制场增益则相当于BT理论中的B积分；记录调制场增益与相对应的空间频率，便得到在激光在非线性传输中的小尺度增益谱。

调节可调衰减片2以改变入射光场的输入功率，可以得到调制场增益随输入功率变化曲线；改变二硫化碳介质7的长度，可以得到调制场增益随在二硫化碳介质7中传输距离变化曲线。

综上所述，本发明装置可以实现激光在非线性介质中的传输特性的测量，尤其可以直观地检测到空间频率与小尺度自聚焦效应的关系曲线。

Claims (4)

1.一种激光束非线性传输特性的测量装置，其特征在于由激光器(1)、可调衰减片(2)、半透半反镜(3)、全反镜(4)及第一反射衰减器(5)、步进电机(6)、非线性介质盒(7)、第二反射衰减器(8)、第三反射衰减器(10)、第一CCD(9)和第二CCD(11)组成，上述元部件的位置关系如下：

在所述的激光器(1)的激光束输出方向依次是所述的可调衰减片(2)、半透半反镜(3)和第一反射衰减器(5)，该半透半反镜(3)与所述的激光束成45°，该第一反射衰减器(5)由所述的步进电机(6)驱动进行小角度旋转，以调整经所述的半透半反镜(3)的透射光束对所述的第一反射衰减器(5)的入射角度；在所述的半透半反镜(3)的反射方向正交地设置所述的全反镜(4)，所述的半透半反镜(3)到所述的全反镜(4)的光程与半透半反镜(3)到所述的第一反射衰减器(5)的光程相等；

经所述的激光器(1)输出的激光束经可调衰减片(2)进入半透半反镜(3)，该半透半反镜(3)将激光束分为透射的第一光束和反射的第二光束，所述的第二光束垂直地入射到所述的全反镜(4)反射后透过所述的半透半反镜(3)，所述的第一光束经第一反射衰减器(5)反射后经所述的半透半反镜(3)反射后与透过所述的半透半反镜(3)的第二光束合成为合束光束；

在所述合束光束的前进方向依次是非线性介质盒(7)和第三反射衰减器(10)，所述的非线性介质盒(7)的入射表面为一斜面，在该斜面的反射方向是所述的第二反射衰减器(8)，在第二反射衰减器(8)的反射方向是所述的第一CCD(9)，在所述的第三反射衰减器(10)的反射方向是所述的第二CCD(11)。

2.根据权利要求1所述的激光束非线性传输特性的测量装置，其特征在于所述的非线性介质盒(7)内充满非线性介质CS₂。

3.根据权利要求1所述的激光束非线性传输特性的测量装置，其特征在于所述的第三反射衰减器(10)由一个以上反射衰减器组成。

4.根据权利要求1所述的激光束非线性传输特性的测量装置，其特征在于所述的激光器(1)是钛宝石激光器。

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