CN103837238A - 基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置及阈值测量方法 - Google Patents

Abstract

基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置及阈值测量方法，属于非线性光学领域，本发明为解决现有对于受激布里渊散射阈值的测量装置存在测量结果不够准确、对光源的稳定性要求较高导致的操作复杂、后续数据处理复杂的问题。本发明包括激光源、激光缩束装置、第一楔形镜、SBS介质池、泵浦光参数测量装置和反射光参数测量装置；所述泵浦光参数测量装置包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一能量卡计和第一PIN管；所述反射光参数测量装置包括第二楔形镜、小孔光阑、第三聚焦透镜、第二能量卡计、第四聚焦透镜和第二PIN管；本发明用于受激布里渊散射阈值的测量中，尤其适用于大口径激光泵浦的情况。

Description

基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置及阈值测量方法

技术领域

本发明涉及一种利用反射光能量反射率测量激光脉冲在非线性介质中传输时的受激布里渊散射阈值的装置及阈值测量方法，属于非线性光学领域。

背景技术

由于受激布里渊散射（SBS）在各方面具有广泛的应用前景，近几十年来，成为众多学者竞相研究的热点。在影响SBS特性的众多参数中，阈值是一个非常重要的参量。当一束激光在布里渊介质中传输时会与介质内部随机分布的热噪声相互作用发生自发布里渊散射，后向自发布里渊散射光中与泵浦光的频率差满足介质布里渊频移的成分被后续的泵浦光放大，形成放大的自发辐射光在泵浦光入射端输出。随着泵浦光强度的增加，其自身在介质中的反射率逐渐增大，当泵浦光强度增加到某一临界值以后，反射率出现雪崩式的非线性增长，这一临界泵浦光强度称为受激布里渊散射阈值。

在实际的应用中，一般认为当SBS反射率达到某一确定值时，对应的泵浦光强度为SBS阈值，此临界反射率通常被确定在1%～5%之间。这是一个模糊的定义，没有统一的评价标准，不同的研究人员会选择不同的标准来定义阈值，导致在相同的实验条件下得到的SBS阈值存在差异。Tomoya等人在实验上对几种不同反射率标准确定的阈值进行比较，得出当采用4%的标准确定阈值时，得到的SBS阈值较为合理。但在SBS阈值近，反射光中被放大的stokes光能量比较微弱，对能量计探头的灵敏度要求较高。一些研究人员通过测量透射光的特性来间接确定SBS阈值。一种方法是利用宽带和窄带激光在介质中的衰减系数的分歧点定义阈值的方法。这种方法对于部分介质较为有效，但对于某些介质（比如FC－72，FC75等），宽带激光也能产生SBS，分歧点不容易确定。另一种方法是利用透射光的限幅波形确定阈值，认为当泵浦强度达到SBS阈值以后，透射光波形中将由于能量转移到Stokes光中而出现一个缺口，定义透射光波形中刚出现限幅缺口时的泵浦光强度为SBS阈值。这种方法操作简单，但对光源的稳定提出了较高的要求。还有一种方法是利用透射光能量光限幅效应确定SBS阈值。在未达到SBS阈值之前，透射能量随泵浦能量的增加而线性地增加，而在达到SBS阈值以后，由于部分能量反射，透射能量出现限幅效应，将两种情况下的透射能量线性拟合，拟合直线的交点对应的泵浦能量定义为阈值。这一定义标准包含的人为选择不确定因素较少，可以应用于任意选取的介质，并且不受泵浦光波形的影响。但SBS的产生是从放大的自发布里渊散射（ABS）到SBS过渡的动态过程。利用这种标准很难将SBS与ABS完全区分开，两拟合直线的交点可能落在ABS所对应的泵浦能量区域，影响阈值定义的准确性。

上述三种方法对于SBS阈值的评价及测量方法均或多或少的存在着自身的缺陷，很难准确的判断出SBS阈值。

发明内容

本发明目的是为了解决现有对于受激布里渊散射阈值的测量装置存在测量结果不够准确、对光源的稳定性要求较高导致的操作复杂、后续数据处理复杂的问题，提供了一种基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置及阈值测量方法。

本发明所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置，它包括激光源、激光缩束装置、第一楔形镜、SBS介质池、泵浦光参数测量装置和反射光参数测量装置；

激光源发出激光脉冲Pump入射至激光缩束装置，经激光缩束装置缩小光束口径后出射至第一楔形镜，经第一楔形镜取样后射出，第一楔形镜取样后的反射光入射至泵浦光参数测量装置，第一楔形镜取样后的透射光入射至SBS介质池中，经SBS介质池反射的反射光入射至第一楔形镜，经第一楔形镜取样后入射至反射光参数测量装置。

所述泵浦光参数测量装置包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一能量卡计和第一PIN管；

第一楔形镜取样后的激光脉冲Pump中经过楔形镜一个面反射的反射光入射至第一聚焦透镜，经第一聚焦透镜的会聚后入射至第一能量卡计，第一楔形镜取样后的激光脉冲Pump中经过楔形镜另一个面反射的反射光入射至第二聚焦透镜，经第二聚焦透镜会聚后入射至第一PIN管。

所述SBS介质池中装满重氟碳化合物FC-40。

所述反射光参数测量装置包括第二楔形镜、小孔光阑、第三聚焦透镜、第二能量卡计、第四聚焦透镜和第二PIN管；

第一楔形镜取样后的激光脉冲Pump入射至第二楔形镜，经过第二楔形镜反射的反射光入射至第四聚焦透镜，经过第四聚焦透镜会聚后入射至第二PIN管，经过第二楔形镜透射的透射光透过小孔光阑的小孔入射至第三聚焦透镜，经过第三聚焦透镜会聚后入射至第二能量卡计。

基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置的阈值测量方法，该方法的具体过程为：SBS介质池为空心圆柱形容器，空心圆柱形容器内充满SBS介质，两端分别由窗镜A和B密封，激光脉冲Pump从SBS介质池窗镜A侧入射，穿过SBS介质后经窗镜B出射。激光脉冲Pump在整个SBS介质池中的反射光的近场分布包括a和b两部分，a部分为SBS介质池窗镜B反射的激光脉冲Pmup中具有布里渊频移的成分被放大的结果，b部分为激光脉冲Pmup在SBS介质池中形成的非聚焦SBS成分；

在光路中插入形状和大小均与a部分相同的小孔光阑，滤除b部分；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，反射光的近场分布中只有a部分；如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，反射光的近场分布中有a部分和b部分；

逐渐增加入射到SBS介质池中的激光脉冲Pump的强度，如果激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，反射光的近场分布中只有a部分，第二能量卡计记录的能量反射率逐渐增大；如果激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，反射光的近场分布变为a部分和b部分均存在，b部分被小孔光阑滤除，未被第二能量卡计记录，第二能量卡计记录的能量反射率逐渐减小；第二能量卡计记录的能量反射率开始下降时的激光脉冲Pump的强度即为SBS阈值。

本发明的优点：

1、操作简单：只需在反射光输出端特定位置放置一个小孔光阑，用于滤除非聚焦泵浦的SBS光，利用能量卡计测量透过光阑的能量，找出能量反射率增加到最大后开始下降时的泵浦光强度即为受激布里渊散射的阈值；

2、测量周期短，不需要繁琐的后续数据处理工作；

3、适用于大口径激光泵浦的情况。

附图说明

图1是本发明所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置的结构示意图；

图2是本发明所述激光缩束装置的结构示意图；

图3是本发明所述泵浦光参数测量装置的结构示意图；

图4是本发明所述反射光参数测量装置的结构示意图；

图5是本发明所述SBS介质池的结构示意图；

图6是反射光达到非聚焦SBS阈值以上时的近场分布示意图；

图7是本发明所述一种基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置的能量反射率随泵浦光能量变化的曲线图，其中：实心圆点表示实验数据，实心曲线表示拟合曲线，H表示阈值。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置，它包括激光源1、激光缩束装置2、第一楔形镜3、SBS介质池4、泵浦光参数测量装置5和反射光参数测量装置6；

激光源1发出激光脉冲Pump入射至激光缩束装置2，经激光缩束装置2缩小光束口径后出射至第一楔形镜3，经第一楔形镜3取样后射出，第一楔形镜3取样后的反射光入射至泵浦光参数测量装置5，第一楔形镜3取样后的透射光入射至SBS介质池4中，经SBS介质池4反射的反射光入射至第一楔形镜3，经第一楔形镜3取样后入射至反射光参数测量装置6。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述激光缩束装置2接收激光源1出射的激光脉冲Pump，用于缩小激光脉冲的光束口径，提高激光脉冲的功率密度。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述泵浦光参数测量装置5接收第一楔形镜3取样后的反射光，用于实时监测泵浦光的参数。

具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述泵浦光参数测量装置5包括第一聚焦透镜5-1、第二聚焦透镜5-2、第一能量卡计5-3和第一PIN管5-4；

第一楔形镜3取样后的激光脉冲Pump中经过楔形镜3一个面反射的反射光入射至第一聚焦透镜5-1，经第一聚焦透镜5-1的会聚后入射至第一能量卡计5-3，第一楔形镜3取样后的激光脉冲Pump中经过楔形镜3另一个面反射的反射光入射至第二聚焦透镜5-2，经第二聚焦透镜5-2会聚后入射至第一PIN管5-4。

本实施方式中，第一能量卡计5-3用于对接收的激光脉冲的能量进行记录；第一PIN管5-4用于对接收的激光脉冲的波形进行记录。

具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述SBS介质池4中装满重氟碳化合物FC-40，用于激发受激布里渊散射。

激光脉冲Pump经SBS介质池4中随机分布的热噪声散射形成自发布里渊散射，沿与激光脉冲Pump相反的方向传输，自发布里渊散射光中具有布里渊频移的Stokes成分与激光脉冲Pump相互干涉，形成声子场，激光脉冲Pump经声子场散射使Stokes成分增强，增强的Stokes成分与激光脉冲Pump相互干涉，使声子场进一步增加，这样反复作用的结果是使Stokes成分雪崩式的增强，最终形成受激布里渊散射。

具体实施方式六：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述反射光参数测量装置6包括第二楔形镜6-1、小孔光阑6-2、第三聚焦透镜6-3、第二能量卡计6-4、第四聚焦透镜6-5和第二PIN管6-6；

第一楔形镜3取样后的激光脉冲Pump入射至第二楔形镜6-1，经过第二楔形镜6-1反射的反射光入射至第四聚焦透镜6-5，经过第四聚焦透镜6-5会聚后入射至第二PIN管6-6，经过第二楔形镜6-1透射的透射光透过小孔光阑6-2的小孔入射至第三聚焦透镜6-3，经过第三聚焦透镜6-3会聚后入射至第二能量卡计6-4。

本实施方式中，第二能量卡计6-4用于对接收的激光脉冲的能量进行记录；第二PIN管6-6用于对接收的激光脉冲的波形进行记录。

具体实施方式七：下面结合图5-图7说明本实施方式，本实施方式所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置的阈值测量方法，该方法的具体过程为：

SBS介质池4为空心圆柱形容器，空心圆柱形容器内充满SBS介质，两端分别由窗镜A和B密封，激光脉冲Pump从SBS介质池4窗镜A侧入射，穿过SBS介质后经窗镜B出射。激光脉冲Pump在整个SBS介质池中的反射光的近场分布包括a和b两部分，a部分为SBS介质池4窗镜B反射的激光脉冲Pmup中具有布里渊频移的成分被放大的结果，b部分为激光脉冲Pmup在SBS介质池4中形成的非聚焦SBS成分；

在光路中插入形状和大小均与a部分相同的小孔光阑6-2，滤除b部分；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，反射光的近场分布中只有a部分；如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，反射光的近场分布中有a部分和b部分；

逐渐增加入射到SBS介质池中的激光脉冲Pump的强度，如果激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，反射光的近场分布中只有a部分，第二能量卡计6-4记录的能量反射率逐渐增大；如果激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，反射光的近场分布变为a部分和b部分均存在，b部分被小孔光阑6-2滤除，未被第二能量卡计6-4记录，第二能量卡计6-4记录的能量反射率逐渐减小；第二能量卡计6-4记录的能量反射率开始下降时的激光脉冲Pump的强度即为SBS阈值。

下面结合图6和图7说明本发明所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置的阈值测量方法的原理：

图6所示为当泵浦光强度达到非聚焦SBS阈值以上时反射光的典型的近场分布的示意图，其中虚线内的部分主要是介质池后窗镜反射的泵浦光中具有布里渊频移的成分被放大的结果，它具有较好的方向性，虚线外的部分为泵浦光在介质池中形成的非聚焦SBS成分，它是一个发散射的光束，在光路中插入形状和大小与图中虚线圈相同的小孔光阑6-2就可以滤除这一发散射的部分，使其不被第二能量卡计6-4所接收。并且，当泵浦光能量低于SBS阈值时，反射光的近场分布中只有虚线内的部分存在，仅当泵浦光能量达到SBS阈值以上时，反射光的近场分布中虚线外的部分才开始出现。

图7所示为实验中测得的能量反射率随泵浦光能量变化曲线，也是本发明中判断非聚焦泵浦的SBS阈值的原理的示意图。当泵浦光能量较小时，反射光中只有介质池后窗镜反射光被放大的成分存在，即图6中虚线内的部分，其反射率随泵浦光能量的增加而逐渐增大；当泵浦光能量增加到SBS阈值以上时，虚线外的部分开始出现，它被小孔光阑6-2滤除未被第二能量卡计6-4记录；由于非聚焦泵浦的SBS和产生，使得到达介质池后窗镜处的泵浦光能量变小，从而以第二能量卡计6-4测得的能量反射率下降。本发明中将如图7所示的曲线中能量反射率开始下降时的泵浦光能量确定为非聚焦泵浦的SBS阈值能量。

Claims (5)

1.基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于，它包括激光源（1）、激光缩束装置（2）、第一楔形镜（3）、SBS介质池（4）、泵浦光参数测量装置（5）和反射光参数测量装置（6）；

激光源（1）发出激光脉冲Pump入射至激光缩束装置（2），经激光缩束装置（2）缩小光束口径后出射至第一楔形镜（3），经第一楔形镜（3）取样后射出，第一楔形镜（3）取样后的反射光入射至泵浦光参数测量装置（5），第一楔形镜（3）取样后的透射光入射至SBS介质池（4）中，经SBS介质池（4）反射的反射光入射至第一楔形镜（3），经第一楔形镜（3）取样后入射至反射光参数测量装置（6）。

2.根据权利要求1所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于，所述泵浦光参数测量装置（5）包括第一聚焦透镜（5-1）、第二聚焦透镜（5-2）、第一能量卡计（5-3）和第一PIN管（5-4）；

第一楔形镜（3）取样后的激光脉冲Pump中经过楔形镜（3）一个面反射的反射光入射至第一聚焦透镜（5-1），经第一聚焦透镜（5-1）会聚后入射至第一能量卡计（5-3），第一楔形镜（3）取样后的激光脉冲Pump中经过楔形镜（3）另一个面反射的反射光入射至第二聚焦透镜（5-2），经第二聚焦透镜（5-2）会聚后入射至第一PIN管（5-4）。

3.根据权利要求1所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于，所述SBS介质池（4）中装满重氟碳化合物FC-40。

4.根据权利要求1所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于，所述反射光参数测量装置（6）包括第二楔形镜（6-1）、小孔光阑（6-2）、第三聚焦透镜（6-3）、第二能量卡计（6-4）、第四聚焦透镜（6-5）和第二PIN管（6-6）；

第一楔形镜（3）取样后的激光脉冲Pump入射至第二楔形镜（6-1），经过第二楔形镜（6-1）反射的反射光入射至第四聚焦透镜（6-5），经过第四聚焦透镜（6-5）会聚后入射至第二PIN管（6-6），经过第二楔形镜（6-1）透射的透射光透过小孔光阑（6-2）的小孔入射至第三聚焦透镜（6-3），经过第三聚焦透镜（6-3）会聚后入射至第二能量卡计（6-4）。

5.基于权利要求1所述基于反射光能量测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置的阈值测量方法，其特征在于，

SBS介质池（4）为空心圆柱形容器，空心圆柱形容器内充满SBS介质，两端分别由窗镜A和B密封，激光脉冲Pump从SBS介质池（4）窗镜A侧入射，穿过SBS介质后经窗镜B出射。激光脉冲Pump在整个SBS介质池中的反射光的近场分布包括a和b两部分，a部分为SBS介质池（4）窗镜B反射的激光脉冲Pmup中具有布里渊频移的成分被放大的结果，b部分为激光脉冲Pmup在SBS介质池（4）中形成的非聚焦SBS成分；

在光路中插入形状和大小均与a部分相同的小孔光阑（6-2），滤除b部分；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，反射光的近场分布中只有a部分；如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，反射光的近场分布中有a部分和b部分；

逐渐增加入射到SBS介质池中的激光脉冲Pump的强度，如果激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，反射光的近场分布中只有a部分，第二能量卡计（6-4）记录的能量反射率逐渐增大；如果激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，反射光的近场分布变为a部分和b部分均存在，b部分被小孔光阑（6-2）滤除，未被第二能量卡计（6-4）记录，第二能量卡计（6-4）记录的能量反射率逐渐减小；第二能量卡计（6-4）记录的能量反射率开始下降时的激光脉冲Pump的强度即为SBS阈值。

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