CN101872102B - 锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置及方法。初始偏振态为p偏振的激光经过第一偏振片，第一λ/2波片和第二偏振片，其中偏振态为s偏振的一路激光被第二偏振片反射并经过第三偏振片反射，经过第一λ/4波片和第一耦合透镜，进入锥度光纤，产生受激布里渊散射激光，而p偏振的激光则透过第二偏振片继续向前传输，进入熔石英棒作为泵浦源；由锥度光纤反射回的受激布里渊散射激光进入熔石英棒中作为种子源，和泵浦光相互作用后被放大，放大后产生的种子光经过反射后达到与原入射激光在空间的重合。本发明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畸变效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置及方法。
背景技术
受激布里渊散射自从被证明可以矫正激光波前畸变以后，就不断地被人们用作相位共轭镜来改善激光光束质量。相对于使用气体、液体作为受激布里渊散射介质的相位共轭镜，固体相位共轭镜由于其无毒无害无需高压以及稳定、便捷、可靠等优点，逐步显示出其在实际激光系统，尤其是在高功率全固态主振荡-功率放大激光系统中的应用前景和价值。因此，为了满足受激布里渊散射相位共轭技术进一步走向实用化的迫切需求，寻找高增益、高稳定性的固体受激布里渊散射介质，探索提高固体相位共轭镜负载能力的方法，建立高效、安全、结构紧凑、操作方便的相位共轭系统，实现装置的全固化，具有重要的实际意义。
光纤作为相位共轭材料虽然无毒，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。虽然也有熔石英棒和石英光纤组成的复合型相位共轭装置应用于高重复率高功率激光系统，但是这种装置的反射率较低，同时工作的动态范围较小，难以用于实际的激光系统。本发明采用一种锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置及方法，克服了熔石英棒和石英光纤复合型相位共轭装置的反射率低、动态范围小的缺点，同时又具有较高的激光损伤阈值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置及方法。
锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置包括第一偏振片、第一λ/2波片、第二偏振片、第二λ/2波片、第三偏振片、第一λ/4波片、第一耦合透镜、锥度光纤、第一反射镜、第二反射镜，第二耦合透镜、第二λ/4波片、熔石英棒、第三λ/4波片、第三反射镜、第四反射镜；初始偏振态为p偏振的激光经过第一偏振片，被第一λ/2波片和第二偏振片组成的光强调节系统分成两路激光，其中偏振态为s偏振的一路激光被第二偏振片反射并经过由第二λ/2波片和第三偏振片组成的光强调节系统反射，经过第一λ/2波片和第一耦合透镜，进入锥度光纤，产生受激布里渊散射激光，而p偏振的激光则透过第二偏振片继续向前传输，经第一反射镜、第二反射镜、第二耦合透镜和第二λ/4波片后进入熔石英棒作为泵浦源；由锥度光纤反射回的受激布里渊散射激光自左向右传输，依次经过第一耦合透镜和第一λ/4波片，偏振态改变为p偏振，并透过第三偏振片，经由第三λ/4波片变为圆偏振光后从左至右进入熔石英棒中作为种子源，和从右至左入射的泵浦光相互作用后被放大，放大后产生的种子光经过第二λ/4波片变为s偏振光，被第二反射镜和第一反射镜反射后到达第二偏振片，并被第二偏振片反射，再被第三反射镜、第四反射镜和第一偏振片反射后达到与原入射激光在空间的重合。
所述的熔石英棒直径为1mm～30mm，长度为10mm～2000mm。所述的锥度光纤为石英材料，较粗一端的芯径为0.3mm～2mm，较细一端的芯径为0.05mm～0.6mm，光纤的总长度为0.2m～10m，光纤端面具有平整光滑的高光洁度平面。所述的第一耦合透镜的焦距为10mm～1000mm，第二耦合透镜的焦距为10mm～1000mm。
锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭方法包括如下步骤：
1)具有相位畸变的p偏振激光光束经过第一偏振片后继续传输，当到达第一λ/2波片和第二偏振片时，通过旋转第一λ/2波片的角度改变激光的偏振状态，透过第一λ/2波片的激光同时含有p偏振光和s偏振光，p偏振光透过第二偏振片继续传播，被第一反射镜和第二反射镜反射后进入熔石英棒中，s偏振光被第二偏振片反射后，经过第二λ/2波片，通过旋转第二λ/2波片的角度改变激光的偏振状态，透过第二λ/2波片的激光同时含有p偏振光和s偏振光，s偏振光再次被第三偏振片反射后进入锥度光纤，p偏振光透过第三偏振片被吸收；
2)s偏振光被第三偏振片反射耦合进入锥度光纤的激光首先达到受激布里渊散射阈值，产生反射，反射光自左向右传输再次到达第三偏振片时，偏振态为p偏振，透过第三偏振片继续传播；
3)p偏振光透过第二偏振片后被第一反射镜和第二反射镜反射，由第二耦合透镜耦合自右向左进入熔石英棒作为泵浦激光，由锥度光纤产生的受激布里渊散射光自左向右方向进入熔石英棒与泵浦激光干涉，共同产生放大的相位共轭光；
4)相位共轭光在熔石英棒中自左向右传输，经过第二λ/4波片并被第二反射镜和第一反射镜反射，到达第二偏振片时的偏振状态为s偏振，该s偏振光全部被第二偏振片反射，再被第三反射镜和第四反射镜及第一偏振片反射，得到相位共轭激光。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明使得由该组合体形成的相位共轭器件既具有较高的损伤阈值和较低的受激布里渊散射阈值，同时具有较高的反射率和较大的动态工作范围，从而在大功率激光器中得到应用而避免损伤。
本发明通过强迫受激布里渊散射效应，使得在熔石英棒中的反射光波的相位与入射光共轭；因此当相位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。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畸变效应。
附图说明
图1是锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置示意图；
图2是应用锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置的LD泵浦Nd:YAG双程激光振荡-放大系统示意图；
图3是400Hz条件下应用锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置测量输出激光M2因子的测量曲线和激光远场光束强度分布图；
图中：第一偏振片1、第一λ/2波片2、第二偏振片3、第二λ/2波片4、第三偏振片5、第一λ/4波片6、第一耦合透镜7、锥度光纤8、第一反射镜9、第二反射镜10，第二耦合透镜11、第二λ/4波片12、熔石英棒13、第三λ/4波片14、第三反射镜15、第四反射镜16。
具体实施方式
本发明利用熔石英棒和锥度光纤中的受激布里渊散射相互作用原理，既具有较高的损伤阈值和较低的受激布里渊散射阈值，同时具有较高的反射率和较大的动态工作范围，从而应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。
如图1所示，锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置，其特征在于包括第一偏振片1、第一λ/2波片2、第二偏振片3、第二λ/2波片4、第三偏振片5、第一λ/4波片6、第一耦合透镜7、锥度光纤8、第一反射镜9、第二反射镜10，第二耦合透镜11、第二λ/4波片12、熔石英棒13、第三λ/4波片14、第三反射镜15、第四反射镜16；初始偏振态为p偏振的激光经过第一偏振片1，被第一λ/2波片2和第二偏振片3组成的光强调节系统分成两路激光，其中偏振态为s偏振的一路激光被第二偏振片3反射并经过由第二λ/2波片4和第三偏振片5组成的光强调节系统反射，经过第一λ/4波片6和第一耦合透镜7，进入锥度光纤8，产生受激布里渊散射激光，而p偏振的激光则透过第二偏振片3继续向前传输，经第一反射镜9、第二反射镜10、第二耦合透镜11和第二λ/4波片12后进入熔石英棒13作为泵浦源；由锥度光纤8反射回的受激布里渊散射激光自左向右传输，依次经过第一耦合透镜7和第一λ/4波片6，偏振态改变为p偏振，并透过第三偏振片5，经由第三λ/4波片14变为圆偏振光后从左至右进入熔石英棒13中作为种子源，和从右至左入射的泵浦光相互作用后被放大，放大后产生的种子光经过第二λ/4波片12变为s偏振光，被第二反射镜10和第一反射镜9反射后到达第二偏振片3，并被第二偏振片3反射，再被第三反射镜15、第四反射镜16和第一偏振片1反射后达到与原入射激光在空间的重合。
所述的熔石英棒直径为1mm～30mm，长度为10mm～2000mm。所述的锥度光纤为石英材料，较粗一端的芯径为0.3mm～2mm，较细一端的芯径为0.05mm～0.6mm，光纤的总长度为0.2m～10m，光纤端面具有平整光滑的高光洁度平面。所述的第一耦合透镜的焦距为10mm～1000mm，第二耦合透镜的焦距为10mm～1000mm。
锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置中的受激布里渊散射过程是一种泵浦光场、斯托克斯光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，在大块熔石英棒中得到放大并输出。上述锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型受激布里渊散射相位共轭装置中获得相位共轭光的方法包括如下步骤：
1)具有相位畸变的p偏振激光光束经过第一偏振片1后继续传输，当到达第一λ/2波片2和第二偏振片3时，通过旋转第一λ/2波片2的角度改变激光的偏振状态，透过第一λ/2波片2的激光同时含有p偏振光和s偏振光，p偏振光透过第二偏振片3继续传播，被第一反射镜9和第二反射镜10反射后进入熔石英棒13中，s偏振光被第二偏振片3反射后，经过第二λ/2波片4，通过旋转第二λ/2波片4的角度改变激光的偏振状态，透过第二λ/2波片4的激光同时含有p偏振光和s偏振光，s偏振光再次被第三偏振片5反射后进入锥度光纤8，p偏振光透过第三偏振片5被吸收；
2)由于石英光纤的芯径在几百微米，s偏振光被第三偏振片5反射耦合进入锥度光纤8的激光首先达到受激布里渊散射阈值，当激光功率密度超过石英光纤中较低的受激布里渊散射阈值时，很快在石英光纤内建立起强的声场，形成一个较小的后向反射的斯托克斯光，产生反射，反射光自左向右传输再次到达第三偏振片5时，偏振态为p偏振，透过第三偏振片5继续传播；
3)p偏振光透过第二偏振片3后被第一反射镜9和第二反射镜10反射，由第二耦合透镜11耦合自右向左进入熔石英棒13作为泵浦激光，会聚在熔石英棒中的光斑直径较大，激光的功率密度较小，没有达到受激布里渊散射过程所需要的阈值，不能形成足够强的声场进行斯托克斯光反射。由锥度光纤8产生的受激布里渊散射光自左向右方向进入熔石英棒13与泵浦激光干涉，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受激布里渊散射阈值的强迫受激布里渊散射效应。泵浦光在此基础上继续后向反射，致使在熔石英棒内斯托克斯光放大，反射光接近泵浦光的功率，共同产生放大的相位共轭光；
4)相位共轭光在熔石英棒13中自左向右传输，经过第二λ/4波片12并被第二反射镜10和第一反射镜9反射，到达第二偏振片3时的偏振状态为s偏振，该s偏振光全部被第二偏振片3反射，再被第三反射镜15和第四反射镜16及第一偏振片1反射，得到相位共轭激光，再次经过引起畸变的光路后，使畸变得到矫正或部分矫正。
实施例：
图2表示了一种应用于LD泵浦Nd:YAG双程光振荡-放大系统示意图。其工作原理如下：
由振荡级发出的激光经过隔离器、第四偏振片、第一放大级、热补偿系统和第二放大级后，具有了相位畸变，具有相位畸变的p偏振激光光束经过第一偏振片后继续传输，当到达第一λ/2波片和第二偏振片时，通过旋转第一λ/2波片的角度改变激光的偏振状态，透过第一λ/2波片的激光同时含有p偏振光和s偏振光，p偏振光透过第二偏振片继续传播，被第一反射镜和第二反射镜反射后进入熔石英棒中，s偏振光被第二偏振片反射后，经过第二λ/2波片，通过旋转第二λ/2波片的角度改变激光的偏振状态，透过第二λ/2波片的激光同时含有p偏振光和s偏振光，s偏振光再次被第三偏振片反射后进入锥度光纤，p偏振光透过第三偏振片被吸收。s偏振光被第三偏振片反射耦合进入锥度光纤的激光首先达到受激布里渊散射阈值，产生反射，反射光自左向右传输再次到达第三偏振片时，偏振态为p偏振，透过第三偏振片继续传播。p偏振光透过第二偏振片后被第一反射镜和第二反射镜反射，由第二耦合透镜耦合自右向左进入熔石英棒作为泵浦激光，由锥度光纤产生的受激布里渊散射光自左向右方向进入熔石英棒与泵浦激光干涉，共同产生放大的相位共轭光。相位共轭光在熔石英棒中自左向右传输，经过第二λ/4波片并被第二反射镜和第一反射镜反射，到达第二偏振片时的偏振状态为s偏振，该s偏振光全部被第二偏振片反射，再被第三反射镜和第四反射镜及第一偏振片反射，得到相位共轭激光。相位共轭激光再次经过第二放大级、热补偿系统和第一放大级，被第四偏振片反射输出。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。
在以上的独立双池型相位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，熔石英棒的直径为30mm，长度为500mm，前后表面加工成最高等级的光洁度和平面度，未镀增透膜。锥度光纤前端的芯径为1500μm，后端的芯径为600μm，中间为锥形过渡区，光纤总长度为4m，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。第一耦合透镜的焦距为800mm，第二耦合透镜的焦距为100mm。由石英光纤受激布里渊散射的反射光注回熔石英棒后构成独立双池型相位共轭装置，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。这样构成的相位共轭装置具有受激布里渊散射阈值低、反射率高、损伤阈值高和动态范围大等优点。
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400Hz重复率下最高反射率达到40％，在适当调整第一耦合透镜的焦距后，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2.3减少到1.9，反射光斑稳定，没有漏脉冲现象。
表1和图3是实施例的实验结果。表1显示了400Hz条件下实测受激布里渊散射反射率。图3显示了在400Hz运行条件下应用锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置测量输出激光M2因子的测量曲线和激光远场光束强度分布图。
表1锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置的实测受激布里渊散射反射率
| 进入光纤的激光功率(W) | 光纤受激布里渊散射反射功率(W) | 进入熔石英棒激光功率(W) | 石英棒受激布里渊散射反射功率(W) | 总的反射功率(W) | 总的反射率 |
| 3 | 0.55 | 11.0 | 0 | 4.8 | 34.3％ |
| 4 | 1 | 11.0 | 0 | 5.2 | 34.7％ |
| 5.35 | 1.6 | 15.0 | 0 | 7.9 | 38.8％ |
| 6.3 | 2.3 | 15.0 | 0 | 8.8 | 41.3％ |
| 7.2 | 2.75 | 18.0 | 0.4 | 10.4 | 41.3％ |
| 8.2 | 3.5 | 18.0 | 0.4 | 10.6 | 40.5％ |
| 8.9 | 3.8 | 21.0 | 1.3 | 12.0 | 40％ |
Claims (5)
1.一种锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置，其特征在于包括第一偏振片(1)、第一λ/2波片(2)、第二偏振片(3)、第二λ/2波片(4)、第三偏振片(5)、第一λ/4波片(6)、第一耦合透镜(7)、锥度光纤(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)，第二耦合透镜(11)、第二λ/4波片(12)、熔石英棒(13)、第三λ/4波片(14)、第三反射镜(15)、第四反射镜(16)；初始偏振态为p偏振的激光经过第一偏振片(1)，被第一λ/2波片(2)和第二偏振片(3)组成的光强调节系统分成两路激光，其中偏振态为s偏振的一路激光被第二偏振片(3)反射并经过由第二λ/2波片(4)和第三偏振片(5)组成的光强调节系统反射，经过第一λ/4波片(6)和第一耦合透镜(7)，进入锥度光纤(8)，产生受激布里渊散射激光，而p偏振的激光则透过第二偏振片(3)继续向前传输，经第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、第二耦合透镜(11)和第二λ/4波片(12)后进入熔石英棒(13)作为泵浦源；由锥度光纤(8)反射回的受激布里渊散射激光自左向右传输，依次经过第一耦合透镜(7)和第一λ/4波片(6)，偏振态改变为p偏振，并透过第三偏振片(5)，经由第三λ/4波片(14)变为圆偏振光后从左至右进入熔石英棒(13)中作为种子源，和从右至左入射的泵浦光相互作用后被放大，放大后产生的种子光经过第二λ/4波片(12)变为s偏振光，被第二反射镜(10)和第一反射镜(9)反射后到达第二偏振片(3)，并被第二偏振片(3)反射，再被第三反射镜(15)、第四反射镜(16)和第一偏振片(1)反射后达到与原入射激光在空间的重合。
2.根据权利要求1所述的一种锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置，其特征在于所述的熔石英棒直径为1mm～30mm，长度为10mm～2000mm。
3.根据权利要求1所述的一种锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置，其特征在于所述的锥度光纤为石英材料，较粗一端的芯径为0.3mm～2mm，较细一端的芯径为0.05mm～0.6mm，光纤的总长度为0.2m～10m。
4.根据权利要求1所述的一种锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭装置，其特征在于所述的第一耦合透镜的焦距为10mm～1000mm，第二耦合透镜的焦距为10mm～1000mm。
5.一种使用如权利要求1所述装置的锥度光纤和熔石英棒组成的独立双池型相位共轭方法，其特征在于包括如下步骤：
1)具有相位畸变的p偏振激光光束经过第一偏振片(1)后继续传输，当到达第一λ/2波片(2)和第二偏振片(3)时，通过旋转第一λ/2波片(2)的角度改变激光的偏振状态，透过第一λ/2波片(2)的激光同时含有p偏振光和s偏振光，p偏振光透过第二偏振片(3)继续传播，被第一反射镜(9)和第二反射镜(10)反射后进入熔石英棒(13)中，s偏振光被第二偏振片(3)反射后，经过第二λ/2波片(4)，通过旋转第二λ/2波片(4)的角度改变激光的偏振状态，透过第二λ/2波片(4)的激光同时含有p偏振光和s偏振光，s偏振光再次被第三偏振片(5)反射后进入锥度光纤(8)，p偏振光透过第三偏振片(5)被吸收；
2)s偏振光被第三偏振片(5)反射耦合进入锥度光纤(8)的激光首先达到受激布里渊散射阈值，产生反射，反射光自左向右传输再次到达第三偏振片(5)时，偏振态为p偏振，透过第三偏振片(5)继续传播；
3)p偏振光透过第二偏振片(3)后被第一反射镜(9)和第二反射镜(10)反射，由第二耦合透镜(11)耦合自右向左进入熔石英棒(13)作为泵浦激光，由锥度光纤(8)产生的受激布里渊散射光自左向右方向进入熔石英棒(13)与泵浦激光干涉，共同产生放大的相位共轭光；
4)相位共轭光在熔石英棒(13)中自左向右传输，经过第二λ/4波片(12)并被第二反射镜(10)和第一反射镜(9)反射，到达第二偏振片(3)时的偏振状态为s偏振，该s偏振光全部被第二偏振片(3)反射，再被第三反射镜(15)和第四反射镜(16)及第一偏振片(1)反射，得到相位共轭激光。
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