CN103837239A - 基于反射光波形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

基于反射光波形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、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；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；SBS介质池中装满重氟碳化合物FC-40；反射光参数测量装置包括第二楔形镜、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

基于反射光波形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波形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。

上述几种方法对于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。因此，研究并提出一种简单易行而且能够准确测量SBS阈值的方法具有重要的意义。

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、后续数据处理复杂的问题，提供了一种基于反射光波形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波形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入射至第一楔形镜，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中经第一楔形镜第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中经第一楔形镜第二个面反射的反射光入射至第二聚焦透镜，经第二聚焦透镜的会聚后入射至第一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、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，经过第二楔形镜的反射光入射至第四聚焦透镜，经第四聚焦透镜会聚后入射至第二PIN管，经过第二楔形镜的透射光入射至第三聚焦透镜，经第三聚焦透镜会聚后入射至第二能量卡计。

基于上述基于反射光波形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为：

设SBS介质池的长度为L，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，超高斯型激光脉冲Pump从SBS介质池窗镜A侧入射，所述激光脉冲Pump半宽对应的空间长度为t_p·c/2n，其中t_p为激光脉冲Pump的泵浦脉宽，c为光速，n为SBS介质池中SBS介质的介质折射率，且存在关系式L>t_p·c/2n；

入射至SBS介质池中SBS介质的激光脉冲Pump，其前沿产生的Stokes光被后续部分放大，放大的最大相互作用长度为t_p·c/2n；

设Stokes光获得最大增益时激光脉冲Pump的前沿在SBS介质池中的位置为点C，则点C到窗镜A的距离为t_p·c/2n；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，C、B两点间的介质中产生的Stokes光被激光脉冲Pump放大后强度均相同，并且相互叠加形成一个脉冲包络，此时输出的波形设为波形①；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，则C点产生的Stokes光首先获得最大增益，抽取一部分激光脉冲Pump能量，然后C、B两点间的介质各点散射光的有效增益依次递减，反射光的脉冲波形中出现一个尖峰，并伴有一个拖尾，此时输出的波形设为波形②；

逐渐增加入射到SBS介质池中的激光脉冲Pump的强度，并同时监测反射光参数测量装置中第二PIN管记录的波形，波形中开始出现波形②时的激光脉冲Pump的强度即为SBS阈值。本发明的优点：

1、测量准确：现有的阈值评价装置没有考虑到泵浦脉宽与介质池的的关系，当介质池长大于泵浦脉宽对应的有效增益长度时，介质中将会发生多次散射，反射率增大，本发明有效地避免了这种情况。

2、操作简单：只需利用探测设备记录反射光的波形，利用不同波形的特点能够判断出是否达到受激布里渊散射的阈值。

3、测量周期短，不需要繁琐的后续数据处理工作。

4、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波形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Pump激光强度在SBS阈值以上和在SBS阈值以下时反射光波形产生过程的示意图；

图6是Pump激光强度在SBS阈值以上和在SBS阈值以下时理论模拟的波形的示意图，其中，实线表示Pump激光强度在SBS阈值以上的波形，虚线表示Pump激光强度在SBS阈值以下的波形。

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波形测量非聚焦泵浦的受激布里渊散射阈值的装置，该测量装置包括激光源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缩小光束口径后入射至第一楔形镜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，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中经第一楔形镜3第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中经第一楔形镜3第二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的会聚后入射至第一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、第三聚焦透镜6-2、第二能量卡计6-3、第四聚焦透镜6-4和第二PIN管6-5；

第一楔形镜3取样后的Stokes光入射至第二楔形镜6-1，经过第二楔形镜6-1的反射光入射至第四聚焦透镜6-4，经第四聚焦透镜6-4会聚后入射至第二PIN管6-5，经过第二楔形镜6-1的透射光入射至第三聚焦透镜6-2，经第三聚焦透镜6-2会聚后入射至第二能量卡计6-3。

本实施方式中，第二能量卡计6-3用于对接收的激光脉冲的能量进行记录；第二PIN管6-5用于对接收的激光脉冲的波形进行记录。

具体实施方式六：下面结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述基于上述基于反射光波形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，该方法为：

设SBS介质池4的长度为L，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，超高斯型激光脉冲Pump从SBS介质池4窗镜A侧入射，所述激光脉冲Pump半宽对应的空间长度为t_p·c/2n，其中t_p为激光脉冲Pump的泵浦脉宽，c为光速，n为SBS介质池4中SBS介质的介质折射率，且存在关系式L>t_p·c/2n；

入射至SBS介质池4中SBS介质的激光脉冲Pump，其前沿产生的Stokes光被后续部分放大，放大的最大相互作用长度为t_p·c/2n；

设Stokes光获得最大增益时激光脉冲Pump的前沿在SBS介质池中的位置为点C，则点C到窗镜A的距离为t_p·c/2n；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，C、B两点间的介质中产生的Stokes光被激光脉冲Pump放大后强度均相同，并且相互叠加形成一个脉冲包络，此时输出的波形设为波形①；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，则C点产生的Stokes光首先获得最大增益，抽取一部分激光脉冲Pump能量，然后C、B两点间的介质各点散射光的有效增益依次递减，反射光的脉冲波形中出现一个尖峰，并伴有一个拖尾，此时输出的波形设为波形②；

逐渐增加入射到SBS介质池中的激光脉冲Pump的强度，并同时监测反射光参数测量装置6中第二PIN管6-5记录的波形，波形中开始出现波形②时的激光脉冲Pump的强度即为SBS阈值。

下面结合图5和图6说明本发明所述基于反射光波形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原理：

如图5所示，SBS介质池4的长度为L，泵浦光半宽对应的空间长度为t_p·c/2n，其中t_p为泵浦脉宽，c为光速，n为介质折射率，L大于空间长度为t_p·c/2n；SBS介质池4包括两个窗镜A和B，对于超高斯型激光脉冲Pump，其前沿产生的Stokes光被脉冲后续部分放大，放大的作用长度为t_p·c/2n；图5中C点到窗镜A的距离为t_p·c/2n，小于池长L，这就说明泵浦脉冲在C点到B点之间每一点都能获得最大的有效相互作用长度。泵浦光强度低于SBS阈值时，散射光对泵浦光的抽空作用可以忽略，则可以近似认为C、B两点间的介质中产生的Stokes光放大后强度相同，且相互叠加形成一个较宽的脉冲包络，如图5中的输出波形①所示；当泵浦光强度增大到SBS阈值以上时，C点产生的Stokes光首先获得最大的增益，抽取一部分泵浦光能量，其后各点散射光的有效增益依次递减，因此反射光的脉冲波形中将出现一个尖峰并伴有一个缓变的拖尾，如图5中的输出波形②所示。本发明的涉及的测量方法是利用两种情况下反射光波形的区别，通过监测反射光参数测量装置6中第二PIN管6-5记录的波形，将记录的波形中开始出现图5中输出波形②时的激光脉冲Pump的强度定义为SBS阈值。现有技术已经从理论和实验中证明当泵浦脉冲能量控制在一定范围内时，SBS介质池4中产生的后向散射光中只有SBS成分存在。当入射到介质中的激光脉冲Pump的脉冲宽度为纳秒量级，且比介质的声子寿命长时，SBS阈值远低于受激拉曼散射的阈值，而受激热散射的阈值又远高于受激拉曼散射，同时自聚焦等其它非线性效应也会得到抑制。对于瑞利散射光，其增益系数比SBS增益系数小两个数量级，且响应时间在毫秒量级，因而纳秒量级的激光脉冲Pump的强度在SBS阈值附近时介质中不易发生受激瑞利散射。

图6所示为激光脉冲Pump的强度在SBS阈值以上和在SBS阈值以下时理论模拟的示意图。计算中用到的泵浦光为波长527nm、脉宽3ns的超高斯型激光脉冲，光束口径为20mm，选用的介质为FC40,池长600mm，介质折射率为1.28,增益系数为2cm/GW,布里渊频移为2162MHz,声子寿命为60ps。在模拟结果图6中，点划线表示的是激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值时的Pump光和Stokes光的波形，实线表示的是激光脉冲Pump的强度大于SBS阈值时的Pump光和Stokes光波形。从图中可以看出，当激光脉冲Pump的强度小于SBS阈值时，Stokes光波形为一近平顶的脉冲；当激光脉冲Pump的强度达到SBS阈值以上时，Stokes光波形的前沿部分为一个由于受激辐射产生的尖峰脉冲并伴随有较长的缓慢变化的拖尾。

Claims (5)

1.基于反射光波形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）缩小光束口径后入射至第一楔形镜（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所述基于反射光波形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中经第一楔形镜（3）第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中经第一楔形镜（3）第二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）的会聚后入射至第一PIN管（5-4）。

3.根据权利要求1所述基于反射光波形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所述基于反射光波形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）、第三聚焦透镜（6-2）、第二能量卡计（6-3）、第四聚焦透镜（6-4）和第二PIN管（6-5）；

第一楔形镜（3）取样后的Stokes光入射至第二楔形镜（6-1），经过第二楔形镜（6-1）的反射光入射至第四聚焦透镜（6-4），经第四聚焦透镜（6-4）会聚后入射至第二PIN管（6-5），经过第二楔形镜（6-1）的透射光入射至第三聚焦透镜（6-2），经第三聚焦透镜（6-2）会聚后入射至第二能量卡计（6-3）。

5.基于权利要求1所述基于反射光波形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，

设SBS介质池（4）的长度为L，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，超高斯型激光脉冲Pump从SBS介质池（4）窗镜A侧入射，所述激光脉冲Pump半宽对应的空间长度为t_p·c/2n，其中t_p为激光脉冲Pump的泵浦脉宽，c为光速，n为SBS介质池（4）中SBS介质的介质折射率，且存在关系式L>t_p·c/2n；

入射至SBS介质池（4）中SBS介质的激光脉冲Pump，其前沿产生的Stokes光被后续部分放大，放大的最大相互作用长度为t_p·c/2n；

设Stokes光获得最大增益时激光脉冲Pump的前沿在SBS介质池中的位置为点C，则点C到窗镜A的距离为t_p·c/2n；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度低于SBS阈值，C、B两点间的介质中产生的Stokes光被激光脉冲Pump放大后强度均相同，并且相互叠加形成一个脉冲包络，此时输出的波形设为波形①；

如果入射到SBS介质中的激光脉冲Pump的强度高于SBS阈值，则C点产生的Stokes光首先获得最大增益，抽取一部分激光脉冲Pump能量，然后C、B两点间的介质各点散射光的有效增益依次递减，反射光的脉冲波形中出现一个尖峰，并伴有一个拖尾，此时输出的波形设为波形②；

逐渐增加入射到SBS介质池中的激光脉冲Pump的强度，并同时监测反射光参数测量装置（6）中第二PIN管（6-5）记录的波形，波形中开始出现波形②时的激光脉冲Pump的强度即为SBS阈值。

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