CN104882771A - 大能量高功率sbs组束方法及组束激光器 - Google Patents

大能量高功率sbs组束方法及组束激光器 Download PDF

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Abstract

大能量高功率SBS组束方法及组束激光器，涉及激光串行组束技术。它为了解决在超大能量输出的串行组束激光器中，单纯利用主振荡功率放大获得的Stokes光抗干扰能力差的问题。本发明将单纵模种子光分成两束，一束用来产生一阶Stokes光，另一束作为抽运光种子；将一阶Stokes光和抽运光均分成m组后分别注入到m个放大模块中；放大模块对抽运光进行放大，并利用放大后的抽运光对一阶Stokes光进行放大；利用一组放大后的一阶Stokes光产生二阶Stokes光，将剩余的一阶Stokes光作为抽运光对二阶Stokes光进行放大，获得组束激光。本发明具有抗干扰能力强的优点，适用于大能量和高功率固体组束激光器。

Description

大能量高功率SBS组束方法及组束激光器
技术领域
本发明涉及激光串行组束技术，属于光学领域。
背景技术
在大能量固体激光器中，随着激光重复频率和能量的增加，激光晶体中无法避免会产生大量的废热。特别是为了进一步提高激光输出能量增加晶体尺寸，将对重复频率的增加和介质散热造成更大的难度，导致光束质量下降、介质损伤等一系列问题。至今为止，在固体激光器领域，依靠单束激光的逐级放大技术所能获得的能量、重复频率及光束质量仍然受到很大的限制。目前，通过将若干束低功率、低能量激光进行合成来获得大能量、高功率激光输出的激光组束技术，是克服增益介质的尺寸、热影响和损伤阈值等难题的最有效手段。常见组束方法有基于非相干合成技术的偏振组束和频谱组束，以及基于相干合成技术的主动反馈式组束、自组织激光组束、倏逝波组束、受激布里渊散射(SBS)组束等。
基于SBS的组束技术分为四波混频组束、并行组束和串行组束三种。相对于前两种方式，以布里渊放大技术为核心的串行组束具有结构简单、负载能力强等优点，近年来引起了国内外学者的广泛关注。特别是串行组束中的非共线组束方式(即Stokes光与抽运光为非共线放大结构)，以其可控性强、一束Stokes光可与多数抽运光作用和对相互作用的光束几乎无隔离要求的特点，更适合于工程应用。
在基于SBS的非共线组束激光器中，随着参与组束的激光束数量和能量的逐渐增加，组束激光器的体积也将随之增加，因此合理设计组束方法、优化结构设计、提高系统的紧凑性和能量提升空间是实现组束激光器工程应用的发展趋势。通常在超大能量输出的串行组束激光器中，只是利用主振荡功率放大获得Stokes光，这种方式当种子光受到干扰时，每一级放大单元都会受到干扰，获得的Stokes光抗干扰能力差。
发明内容
本发明的目的是为了解决在超大能量输出的串行组束激光器中，单纯利用主振荡功率放大获得的Stokes光抗干扰能力差的问题，提供一种大能量高功率SBS组束方法及组束激光器。
本发明所述的大能量高功率SBS组束方法为：
步骤一、将单纵模种子光分成两束，一束用来产生一阶Stokes光，另一束作为抽运光种子；
步骤二、将一阶Stokes光和抽运光种子均分成m组后分别注入到m个放大模块中，m为大于1的整数；
步骤三、在每个放大模块中，对抽运光进行放大，并利用放大后的抽运光对一阶Stokes光进行放大，得到放大后的一阶Stokes光；
步骤四、从m组放大后的一阶Stokes光中选取一组用来产生二阶Stokes光，将剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光作为抽运光，对二阶Stokes光进行放大，获得放大后的二阶Stokes光，即SBS组束激光。
本发明所述的大能量高功率SBS组束激光器，包括种子光模块1、组束模块3和m个结构相同的放大模块2；
所述种子光模块1用于产生一阶Stokes光和抽运光种子，一阶Stokes光和抽运光种子均分成m组后分别进入m个放大模块2；
每个放大模块2包括MOPA放大单元2-1和一号SBS放大池2-2，MOPA放大单元2-1用于对进入该放大模块2的抽运光种子进行放大，获得放大后的抽运光，该放大后的抽运光与进入该放大模块2的一阶Stokes光共同进入一号SBS放大池2-2，从该一号SBS放大池2-2出射的光为放大后的一阶Stokes光；
组束模块3用来产生放大后的二阶Stokes光：m组放大后的一阶Stokes光进入组束模块3，在组束模块3中，一组放大后的一阶Stokes光用来产生二阶Stokes光，剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光用于对二阶Stokes光进行放大，以获得放大后的二阶Stokes光，即SBS组束激光。
本发明将作为种子光的一阶Stokes光分成多束，对每一束分别采用一个放大模块进行放大，当其中一束或几束受到干扰导致输出不稳时，不会影响其他放大模块的输出，提高了抗干扰能力。参与组束的各模块为独立结构，每个放大模块输出的激光既可以单独输出，也可以参与二阶组束输出，或根据对输出能量的需要增加或减少放大模块的数量，组束激光器的能量提升空间得到有效提升，放大模块采用标准化的可互换结构，使生产和维护更容易。本发明适用于大能量和高功率固体组束激光器。
附图说明
图1是实施方式五所述的大能量高功率SBS组束激光器的原理框图；
图2是实施方式七中MOPA放大单元的原理框图；
图3是实施方式六中激布里渊散射产生一阶Stokes光/二阶Stokes光的原理示意图，
图4是实施方式九中非共线放大的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的大能量高功率SBS组束方法包括以下步骤：
步骤一、将单纵模种子光分成两束，一束用来产生一阶Stokes光，另一束作为抽运光种子；
步骤二、将一阶Stokes光和抽运光种子均分成m组后分别注入到m个放大模块中，m为大于1的整数；
步骤三、在每个放大模块中，对抽运光进行放大，并利用放大后的抽运光对一阶Stokes光进行放大，得到放大后的一阶Stokes光；
步骤四、从m组放大后的一阶Stokes光中选取一组用来产生二阶Stokes光，将剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光作为抽运光，对二阶Stokes光进行放大，获得放大后的二阶Stokes光，即SBS组束激光。
本实施方式所述的方法将作为种子光的一阶Stokes光分成多束，对每一束分别采用一个放大模块进行放大，放大后的一阶Stokes光一部分用来产生二阶Stokes光，另一部分用作抽运光对二阶Stokes光，进行放大，最终获得大能量高功率的SBS组束输出。当一束或几束一阶Stokes光受到干扰导致输出不稳时，不会影响其他放大模块的输出，提高了系统的抗干扰能力。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的大能量高功率SBS组束方法的进一步限定，步骤三中，对抽运光进行放大的方法为：将抽运光分成n束，并对所述n束抽运光分别进行放大，n为大于1的整数。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述的大能量高功率SBS组束方法的进一步限定，步骤四中对二阶Stokes光放大的方法为：采用串行组束方法，对二阶Stokes逐级放大。
将m-1组放大后的一阶Stokes光分别注入m-1个串连的SBS放大池中，使二阶Stokes依次经过m-1个SBS放大池二，最终获得放大后的二阶Stokes光。
具体实施方式四：本实施方式是对实施方式一所述的大能量高功率SBS组束方法的进一步限定，步骤四中对二阶Stokes光放大的方法为：将所述剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光与二阶Stokes同时注入一个SBS放大池中，获得放大后的二阶Stokes光。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的大能量高功率SBS组束激光器，包括种子光模块1、组束模块3和m个结构相同的放大模块2；
所述种子光模块1用于产生一阶Stokes光和抽运光种子，一阶Stokes光和抽运光种子均分成m组后分别进入m个放大模块2；
每个放大模块2包括MOPA放大单元2-1和一号SBS放大池2-2，MOPA放大单元2-1用于对进入该放大模块2的抽运光种子进行放大，获得放大后的抽运光，该放大后的抽运光与进入该放大模块2的一阶Stokes光共同进入一号SBS放大池2-2，从该一号SBS放大池2-2出射的光为放大后的一阶Stokes光；
组束模块3用来产生放大后的二阶Stokes光：m组放大后的一阶Stokes光进入组束模块3，在组束模块3中，一组放大后的一阶Stokes光用来产生二阶Stokes光，剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光用于对二阶Stokes光进行放大，以获得放大后的二阶Stokes光，即SBS组束激光。
本实施方式将作为种子光的一阶Stokes光分成多束，对每一束分别采用一个放大模块进行放大，放大后的一阶Stokes光一部分用来产生二阶Stokes光，另一部分用作抽运光对二阶Stokes光，进行放大，最终获得大能量高功率的SBS组束输出。所述的种子光模块1、放大模块2和组束模块3的尺寸相同或不同，且按照次序依次叠放实现层状激光器结构。参与组束的各放大模块为独立结构，每个放大模块输出的激光既可以单独输出，也可以参与二阶组束输出，或根据对输出能量的需要增加或减少放大模块的数量，组束激光器的能量提升空间得到有效提升，特别适用于大能量和高功率固体串行组束激光器。
具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的大能量高功率SBS组束激光器的进一步限定，本实施方式中，所述的种子光模块1包括单纵模激光器1-1和Stokes光产生装置，单纵模激光器1-1产生的激光分成两束，一束进入Stokes光产生装置后产生一阶Stokes光，另一束作为抽运光种子。
采用一个单纵模激光器1-1即可同时获得种子光和抽运光，结构简单。Stokes光产生装置的原理如图3所示，带箭头的实线表示种子光，带箭头的虚线表示Stokes光，种子光经聚焦透镜聚焦到SBS介质中，并产生后向反射的Stokes光，种子光和Stokes光相位共轭。
具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的大能量高功率SBS组束激光器的进一步限定，本实施方式中，所述的MOPA放大单元2-1包括n个MOPA放大器，在每个放大模块2中，抽运光种子均分成n组，分别进入n个MOPA放大器进行放大，得到n组放大后的抽运光，n组放大后的抽运光与一阶Stokes光共同进入一号SBS放大池2-2，从该一号SBS放大池2-2出射的光为放大后的一阶Stokes光。
具体实施方式八：本实施方式是对实施方式五所述的大能量高功率SBS组束激光器的进一步限定，本实施方式中，所述的组束模块3包括Stokes光产生装置和二号SBS放大池3-2，一组放大后的一阶Stokes光进入Stokes光产生装置后产生二阶Stokes光，该二阶Stokes光与剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光共同进入二号SBS放大池3-2，以获得放大后的二阶Stokes光。
具体实施方式九：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的大能量高功率SBS组束激光器的进一步限定，本实施方式中，所述的组束模块3包括Stokes光产生装置和m-1个二号SBS放大池3-2，所述m-1个二号SBS放大池3-2串连，一组放大后的一阶Stokes光进入Stokes光产生装置后产生二阶Stokes光，该二阶Stokes光作为种子光依次进入串连的m-1个二号SBS放大池3-2中，剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光作为抽运光分别进入m-1个二号SBS放大池3-2中，从最后一个二号SBS放大池3-2出射的光即为放大后的二阶Stokes光。
本实施方式中的Stokes光产生装置与实施方式六中的Stokes光产生装置原理相同。组束模块3采用非共线组束原理，如图4所示，二阶Stokes光与抽运光在介质池中成一定角度相互作用，经过能量抽取后剩余的抽运光入射至光学陷阱中被吸收。如图1所示，从介质池出射的二阶Stokes光进入下一个介质池中，逐级被放大。
具体实施方式十：本实施方式是对实施方式五所述的大能量高功率SBS组束激光器的进一步限定，本实施方式中，m个放大模块2具有相同的尺寸，为标准化的可互换结构。
放大模块采用标准化的可互换结构，使生产和维护更容易。

Claims (10)

1.大能量高功率SBS组束方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将单纵模种子光分成两束，一束用来产生一阶Stokes光，另一束作为抽运光种子；
步骤二、将一阶Stokes光和抽运光种子均分成m组后分别注入到m个放大模块中，m为大于1的整数；
步骤三、在每个放大模块中，对抽运光进行放大，并利用放大后的抽运光对一阶Stokes光进行放大，得到放大后的一阶Stokes光；
步骤四、从m组放大后的一阶Stokes光中选取一组用来产生二阶Stokes光，将剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光作为抽运光，对二阶Stokes光进行放大，获得放大后的二阶Stokes光，即SBS组束激光。
2.根据权利要求1所述的大能量高功率SBS组束方法，其特征在于，步骤三中，对抽运光进行放大的方法为：将抽运光分成n束，并对所述n束抽运光分别进行放大，n为大于1的整数。
3.根据权利要求1所述的大能量高功率SBS组束方法，其特征在于，步骤四中对二阶Stokes光放大的方法为：采用串行组束方法，对二阶Stokes逐级放大。
4.根据权利要求1所述的大能量高功率SBS组束方法，其特征在于，步骤四中对二阶Stokes光放大的方法为：将所述剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光与二阶Stokes同时注入一个SBS放大池中，获得放大后的二阶Stokes光。
5.大能量高功率SBS组束激光器，其特征在于，它包括种子光模块(1)、组束模块(3)和m个结构相同的放大模块(2)；
所述种子光模块(1)用于产生一阶Stokes光和抽运光种子，一阶Stokes光和抽运光种子均分成m组后分别进入m个放大模块(2)；
每个放大模块(2)包括MOPA放大单元(2-1)和一号SBS放大池(2-2)，MOPA放大单元(2-1)用于对进入该放大模块(2)的抽运光种子进行放大，获得放大后的抽运光，该放大后的抽运光与进入该放大模块(2)的一阶Stokes光共同进入一号SBS放大池(2-2)，从该一号SBS放大池(2-2)出射的光为放大后的一阶Stokes光；
组束模块(3)用来产生放大后的二阶Stokes光：m组放大后的一阶Stokes光进入组束模块(3)，在组束模块(3)中，一组放大后的一阶Stokes光用来产生二阶Stokes光，剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光用于对二阶Stokes光进行放大，以获得放大后的二阶Stokes光，即SBS组束激光。
6.根据权利要求5所述的大能量高功率SBS组束激光器，其特征在于，所述的种子光模块(1)包括单纵模激光器(1-1)和Stokes光产生装置，单纵模激光器(1-1)产生的激光分成两束，一束进入Stokes光产生装置后产生一阶Stokes光，另一束作为抽运光种子。
7.根据权利要求5所述的大能量高功率SBS组束激光器，其特征在于，所述的MOPA放大单元(2-1)包括n个MOPA放大器，在每个放大模块(2)中，抽运光种子均分成n组，分别进入n个MOPA放大器进行放大，得到n组放大后的抽运光，n组放大后的抽运光与一阶Stokes光共同进入一号SBS放大池(2-2)，从该一号SBS放大池(2-2)出射的光为放大后的一阶Stokes光。
8.根据权利要求5所述的大能量高功率SBS组束激光器，其特征在于，所述的组束模块(3)包括Stokes光产生装置和二号SBS放大池(3-2)，一组放大后的一阶Stokes光进入Stokes光产生装置后产生二阶Stokes光，该二阶Stokes光与剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光共同进入二号SBS放大池(3-2)，以获得放大后的二阶Stokes光。
9.根据权利要求5所述的大能量高功率SBS组束激光器，其特征在于，所述的组束模块(3)包括Stokes光产生装置和m-1个二号SBS放大池(3-2)，所述m-1个二号SBS放大池(3-2)串连，一组放大后的一阶Stokes光进入Stokes光产生装置后产生二阶Stokes光，该二阶Stokes光作为种子光依次进入串连的m-1个二号SBS放大池(3-2)中，剩余的m-1组放大后的一阶Stokes光作为抽运光分别进入m-1个二号SBS放大池(3-2)中，从最后一个二号SBS放大池(3-2)出射的光即为放大后的二阶Stokes光。
10.根据权利要求5所述的大能量高功率SBS组束激光器，其特征在于，m个放大模块(2)具有相同的尺寸，为标准化的可互换结构。
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