CN103840363A - 一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置 - Google Patents

Abstract

一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，属于非线性光学领域，本发明为解决现有激光脉冲产生装置产生的激光脉冲能量较低，放大系统光学结构复杂、放大效率低，产生的激光脉冲光谱较宽，脉冲压缩方式稳定性差，在应用中受到限制的问题。本发明包括激光源、半波片、偏振片、四分之一波片、SBS介质池、泵浦光参数测量装置和短脉冲输出光参数测量装置；泵浦光参数测量装置包括第一分束片、第一能量卡计和第一光电探测器；SBS介质池为空心圆柱形容器，两端分别由第一窗片和第二窗片密封；短脉冲输出光参数测量装置包括第二分束片、第二能量卡计和第二光电探测器。本发明用于产生大能量的脉冲激光，尤其适用于大口径激光泵浦中。

Description

一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置

技术领域

本发明涉及一种产生高稳定大能量的百皮秒激光脉冲的装置，属于非线性光学领域。

背景技术

惯性约束聚变可以提供巨大的能量，将成为有效解决未来能源问题和国防安全问题的重要途径之一，因此必然成为各国专家学者争相研究的热点。为了进行聚变点火，近年来人们提出了多种点火方案，而其中最有望实现的是由Betti等人于2007年提出的“冲击点火”方案。他们指出，如果能够产生多路脉宽为100ps量级，能量为100kJ量级的脉冲激光，冲击点火将有可能实现，与其它点火方案相比，这一方案对激光驱动器的综合要求最低。然而，如何获得这样的激光脉冲成为该方案的核心任务。

除惯性约束聚变中的冲击点火方案外，脉冲宽度为百皮秒量级的激光在诸如材料加工、基于汤普逊散射的等离子体诊断、激光测距、全息术等领域中也有着广泛的应用。在皮秒激光脉冲产生的研究中，通常是采用锁模的方法，但这种方法获得的单脉冲能量比较低，一般在纳焦耳至百微焦耳量级，要得到大能量的锁模脉冲，需要利用再生放大系统对其进行放大，而这一放大系统的光学结构十分复杂，放大效率低。另外，这种方法获得的激光脉冲光谱较宽，在激光测距等需要好的相干性光源的应用中受到限制。

利用调Q技术能产生短脉冲激光，所得能量高于锁模技术产生的脉冲能量，脉冲宽度可以到纳秒量级，并且可以利用MOPA系统对其进行直接高效率放大。利用SBS脉冲压缩技术可以将纳秒激光脉冲压缩到百皮秒量级，并具有很高的能量转换效率。这种获得百皮秒激光脉冲的方案不需要复杂的光学结构，造价低，是获得高能量短脉冲激光的有效途径。

传统的SBS脉冲压缩的原理是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。由于反射光是后向传输的，其脉冲前沿总是首先与泵浦光相互作用抽取泵浦光能量得到优先放大，脉冲后沿被放大各程度相对较小，最终导致脉冲形成陡前沿的结构，因此SBS后向散射光具有脉冲压缩效率。因为形成自发布里渊散射的热噪声是在介质池内随机分布的，所以这种起源方式产生的压缩脉冲具有一定的随机性，稳定性较差，在实际应用中会带来一些不利的影响。

发明内容

本发明目的是为了解决现有激光脉冲产生装置产生的激光脉冲能量较低，放大系统光学结构复杂、放大效率低，产生的激光脉冲光谱较宽，脉冲压缩方式稳定性差，在应用中受到限制的问题，提供了一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置。

本发明所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，它包括激光源、半波片、偏振片、四分之一波片、SBS介质池、泵浦光参数测量装置和短脉冲输出光参数测量装置；

激光源发出的激光脉冲Pump经半波片和偏振片分成p态线偏振光和s态线偏振光，经偏振片反射的s态线偏振光入射至泵浦光参数测量装置，经偏振片透射的p态线偏振光入射至四分之一波片，经四分之一波片透射后变为圆偏振光入射至SBS介质池，部分激光脉冲Pump经过SBS介质池反射后反向传输入射至四分之一波片，经四分之一波片后变为s态线偏振光，该s态线偏振光通过偏振片反射后入射至短脉冲输出光参数测量装置。

通过旋转半波片的角度，控制p态线偏振光和s态线偏振光的比例。

所述泵浦光参数测量装置包括第一分束片、第一能量卡计和第一光电探测器；

偏振片反射的s态线偏振光入射至第一分束片，经第一分束片透射的透射光入射至第一能量卡计，经第一分束片反射的反射光入射至第一光电探测器。

激光脉冲Pump的波形为纳秒量级的超高斯型激光脉冲。

所述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，两端分别由第一窗片和第二窗片密封，经四分之一波片透射的圆偏振光经过第一窗片入射至空心圆柱形容器，在SBS介质中传输后入射至第二窗片，部分激光脉冲Pump经SBS介质液面与第二窗片的临界面反射后反向传输，反射光经过第一窗片入射至四分之一波片。

经SBS介质液面与第二窗片的临界面反射的激光脉冲Pump中具有Stokes频移的成分被后续激光脉冲Pump放大，放大后的反射光经过第一窗片入射至四分之一波片，通过四分之一波片变成s态线偏振光后经入射到偏振片，经偏振片反射输出。

经SBS介质液面与第二窗片的临界面反射的激光脉冲Pump中具有Stokes频移的成分被后续激光脉冲Pump放大后的输出光的脉冲宽度为百皮秒量级。

所述空心圆柱形容器内充满的SBS介质为：FC-40。

所述第一窗片和第二窗片均为单面镀增透膜。

所述短脉冲输出光参数测量装置包括第二分束片、第二能量卡计和第二光电探测器；

偏振片反射后的激光脉冲Pump入射至第二分束片，经第二分束片透射的透射光入射至第二能量卡计，经第二分束片反射的反射光入射至第二光电探测器。

本发明的优点：

1、可以产生大能量的脉冲激光。

2、输出激光脉冲时间上具有高度的稳定性，可以应用于对时间稳定性要求较高的领域中。

3、产生装置结构简单，在传统单池SBS结构的基础上，无需采用聚焦透镜，降低了光路中的峰值功率密度，使光学元件因高强度激光破坏的风险得到降低。

4、适用于大口径激光泵浦的情况。

附图说明

图1是本发明所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置结构示意图；

图2是本发明所述SBS介质池的结构示意图；

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是本发明所述短脉冲输出光参数测量装置的结构示意图；

图5是Pump激光波形的示意图；

图6是不同泵浦激光能量下典型的输出光脉冲波形的示意图；

图7是输出激光的脉冲宽度随泵浦激光能量变化的示意图，其中：实心圆点表示实验数据点，实线表示拟合曲线；

图8是系统能量转换效率示意图，其中：实心圆点表示实验数据点，实线表示拟合曲线。

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，本实施方式所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，它包括激光源1、半波片2、偏振片3、四分之一波片4、SBS介质池5、泵浦光参数测量装置6和短脉冲输出光参数测量装置7；

激光源1发出的激光脉冲Pump经半波片2和偏振片3分成p态线偏振光和s态线偏振光，经偏振片3反射的s态线偏振光入射至泵浦光参数测量装置6，经偏振片3透射的p态线偏振光入射至四分之一波片4，经四分之一波片4透射后变为圆偏振光入射至SBS介质池5，部分激光脉冲Pump经过SBS介质池5反射后反向传输入射至四分之一波片4，经四分之一波片4后变为s态线偏振光，该s态线偏振光通过偏振片3反射后入射至短脉冲输出光参数测量装置7。

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，通过旋转半波片2的角度，控制p态线偏振光和s态线偏振光的比例，即控制透过偏振片3的p态线偏振光能量连续可调。

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6接收经偏振片3反射的s态线偏振光，用于对接收的激光脉冲Pump的参数进行记录。

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6包括第一分束片6-1、第一能量卡计6-2和第一光电探测器6-3；

偏振片3反射的s态线偏振光入射至第一分束片6-1，经第一分束片6-1透射的透射光入射至第一能量卡计6-2，经第一分束片6-1反射的反射光入射至第一光电探测器6-3。

本实施方式中，第一能量卡计6-2用于测量接收的激光脉冲Pump的能量；第一光电探测器6-3用于测量接收的激光脉冲Pump的波形。

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，激光脉冲Pump的波形为纳秒量级的超高斯型激光脉冲。

具体实施方式六：下面结合图2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5为空心圆柱形容器，空心圆柱形容器内充满SBS介质，两端分别由第一窗片5-1和第二窗片5-3密封，经四分之一波片4透射的圆偏振光经过第一窗片5-1入射至空心圆柱形容器，在SBS介质中传输后入射至第二窗片5-3，部分激光脉冲Pump经SBS介质液面与第二窗片5-3的临界面反射后反向传输，反射光经过第一窗片5-1入射至四分之一波片4。

本实施方式中，反射的激光脉冲Pump中具有布里渊频移的成分在后向传输的过程中与后续激光脉冲Pump通过SBS作用得到放大，由于反射光脉冲的前沿总是先与后续泵浦光相互作用得到有效放大，输出脉冲为陡前沿的结构，因此，合理选择SBS介质池5的长度，可以将纳秒量级的激光脉冲Pump压缩到百皮秒量级。

具体实施方式七：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，经SBS介质液面与第二窗片5-3的临界面反射的激光脉冲Pump中具有Stokes频移的成分被后续激光脉冲Pump放大，放大后的反射光经过第一窗片5-1入射至四分之一波片4，通过四分之一波片4变成s态线偏振光后经入射到偏振片3，经偏振片3反射输出。

具体实施方式八：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，经SBS介质液面与第二窗片5-3的临界面反射的激光脉冲Pump中具有Stokes频移的成分被后续激光脉冲Pump放大后的输出光的脉冲宽度为百皮秒量级。

具体实施方式九：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述空心圆柱形容器内充满的SBS介质为：FC-40。

具体实施方式十：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述第一窗片5-1和第二窗片5-3均为单面镀增透膜。

具体实施方式十一：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，所述短脉冲输出光参数测量装置7接收经SBS介质池5的反射光，用于对接收的反射光的参数进行测量。

具体实施方式十二：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，所述短脉冲输出光参数测量装置7包括第二分束片7-1、第二能量卡计7-2和第二光电探测器7-3；

偏振片3反射后的激光脉冲Pump入射至第二分束片7-1，经第二分束片7-1透射的透射光入射至第二能量卡计7-2，经第二分束片7-1反射的反射光入射至第二光电探测器7-3。

本实施方式中，第二能量卡计7-2用于测量接收的激光脉冲的能量；第二光电探测器7-3用于测量接收的激光脉冲的波形。

下面结合图5-图8说明本发明所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置的激光脉冲产生效果：

图5所示为本发明中用到的激光脉冲Pump的波形的示意图。它为一个脉冲宽度约为5ns的近超高斯波形。图6所示为不同强度的激光脉冲Pump的强度的作用下产生的压缩脉冲输出波形的示意图。利用超高斯型泵浦激光的前沿在SBS介质池5第二窗片5-3上反射的部分中具有布里渊频移的成分提供种子光，与泵浦激光脉冲的后续部分相互作用形成的压缩脉冲在时间上具有极强的稳定性，在不同的泵浦激光强度下形成的压缩脉冲的峰值位置几乎保持不变，即可以忽略其在时间上的前后抖动，这一特性在许多应用中显得尤为重要。

图7所示为压缩后的输出激光的脉冲宽度随激光脉冲Pump的能量的变化关系的示意图。随着激光脉冲Pump能量的增大，压缩脉冲的宽度先迅速减小，然后减小的趋势逐渐变慢，直至趋于稳定。实验中获得的最窄的压缩后的脉冲宽度在300ps左右。

图8所示为系统的能量转换效率的示意图。随着激光脉冲Pump能量的增大，能量转换效率先逐渐增大，增大到一定的程度以后不再增加，激光脉冲Pump的能量继续增大时，转换效率开始下降。在激光脉冲Pump的能量较大时系统能量转换效率下降是因为在这种激光强度下泵浦脉冲前沿在到达SBS介质池5第二窗片5-3之前产生了非聚焦泵浦的SBS，到达SBS介质池5第二窗片5-3位置的泵浦光能量减少，从而使转换到压缩脉冲上的能量减少，即能量转换效率下降。实验中获得的最高的能量转换效率在56%左右。

Claims (10)

1.一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，它包括激光源（1）、半波片（2）、偏振片（3）、四分之一波片（4）、SBS介质池（5）、泵浦光参数测量装置（6）和短脉冲输出光参数测量装置（7）；

激光源（1）发出的激光脉冲Pump经半波片（2）和偏振片（3）分成p态线偏振光和s态线偏振光，经偏振片（3）反射的s态线偏振光入射至泵浦光参数测量装置（6），经偏振片（3）透射的p态线偏振光入射至四分之一波片（4），经四分之一波片（4）透射后变为圆偏振光入射至SBS介质池（5），部分激光脉冲Pump经过SBS介质池（5）反射后反向传输入射至四分之一波片（4），经四分之一波片（4）后变为s态线偏振光，该s态线偏振光通过偏振片（3）反射后入射至短脉冲输出光参数测量装置（7）。

2.根据权利要求1所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，通过旋转半波片（2）的角度，控制p态线偏振光和s态线偏振光的比例。

3.根据权利要求1所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，所述泵浦光参数测量装置（6）包括第一分束片（6-1）、第一能量卡计（6-2）和第一光电探测器（6-3）；

偏振片（3）反射的s态线偏振光入射至第一分束片（6-1），经第一分束片（6-1）透射的透射光入射至第一能量卡计（6-2），经第一分束片（6-1）反射的反射光入射至第一光电探测器（6-3）。

4.根据权利要求1所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，激光脉冲Pump的波形为纳秒量级的超高斯型激光脉冲。

5.根据权利要求1所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，所述SBS介质池（5）为空心圆柱形容器，空心圆柱形容器内充满SBS介质，两端分别由第一窗片（5-1）和第二窗片（5-3）密封，经四分之一波片（4）透射的圆偏振光经过第一窗片（5-1）入射至空心圆柱形容器，在SBS介质中传输后入射至第二窗片（5-3），部分激光脉冲Pump经SBS介质液面与第二窗片（5-3）的临界面反射后反向传输，反射光经过第一窗片（5-1）入射至四分之一波片（4）。

6.根据权利要求5所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，经SBS介质液面与第二窗片（5-3）的临界面反射的激光脉冲Pump中具有Stokes频移的成分被后续激光脉冲Pump放大，放大后的反射光经过第一窗片（5-1）入射至四分之一波片（4），通过四分之一波片（4）变成s态线偏振光后经入射到偏振片（3），经偏振片（3）反射输出。

7.根据权利要求6所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，经SBS介质液面与第二窗片（5-3）的临界面反射的激光脉冲Pump中具有Stokes频移的成分被后续激光脉冲Pump放大后的输出光的脉冲宽度为百皮秒量级。

8.根据权利要求5所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，所述空心圆柱形容器（5-2）内充满的SBS介质为：FC-40。

9.根据权利要求5所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，所述第一窗片（5-1）和第二窗片（5-3）均为单面镀增透膜。

10.根据权利要求1所述一种时间上高稳定的大能量百皮秒激光脉冲的产生装置，其特征在于，所述短脉冲输出光参数测量装置（7）包括第二分束片（7-1）、第二能量卡计（7-2）和第二光电探测器（7-3）；

偏振片（3）反射后的激光脉冲Pump入射至第二分束片（7-1），经第二分束片（7-1）透射的透射光入射至第二能量卡计（7-2），经第二分束片（7-1）反射的反射光入射至第二光电探测器（7-3）。

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