CN104953448A

CN104953448A - 多段锥度光纤相位共轭镜及其激光双程放大装置和方法

Info

Publication number: CN104953448A
Application number: CN201510339600.5A
Authority: CN
Inventors: 刘崇; 叶志斌; 项震
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103474866B; CN104953448B; CN103474866A

Abstract

本发明公开了一种多段锥度光纤相位共轭镜及其激光双程放大装置和方法。放大装置包括沿光轴方向顺次放置的激光器、第一偏振片、λ/2波片、法拉第磁致旋光器、第二偏振片、激光放大器、λ/4波片，第一透镜、第二透镜和多段锥度光纤，其中，所述第一透镜为凸透镜，第二透镜为凹透镜，第一透镜和第二透镜组成望远镜系统，第一透镜的焦距f₁=100mm~1000mm，第二透镜的焦距f₂= -20mm~-1000mm；第一透镜和第二透镜之间的距离D₁=f₁+f₂＝20～1000mm。多段锥度光纤相位共轭镜的装置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。

Description

多段锥度光纤相位共轭镜及其激光双程放大装置和方法

该申请为专利申请日为2013.09.03，专利申请号为201310397026.X，发明名称为多段锥度光纤相位共轭镜及其激光双程放大装置和方法的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种多段锥度光纤相位共轭镜及其激光双程放大装置和方法。

背景技术

受激布里渊散射（SBS）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。带有SBS相位共轭镜的双程主振荡-功率放大激光系统（MOPA）是一种在不牺牲激光光束质量的前提下提升激光输出功率的有效手段。

目前，已有的基于SBS相位共轭镜的高重频大能量MOPA系统大都是基于液体相位共轭镜或者气体相位共轭镜。虽然液体和气体相位共轭镜可以有较高的SBS反射率，并且发展也较为成熟，但是在实际应用中，却有种种不便。对于气体介质，必须采用高压来提高其密度和相应的SBS增益作用；对于液体介质，由于其纯度对击穿阈值和相位共轭度有一定的影响，因此使用之前最好进行提纯，并且还会有一定的毒性。因此，寻找高增益、高稳定性的固体SBS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，实现全固化的带相位共轭镜的MOPA激光系统就显得更有重要的实际意义。

到目前为止，国内外已有一些基于固体相位共轭镜的MOPA激光系统的报道，但是这些基于固体SBS相位共轭镜的MOPA激光系统无论是在重复频率还是在峰值功率方面均不尽如人意。主要原因是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。虽然也有锥度光纤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。本发明采用一种多段锥度光纤相位共轭镜的装置及方法，克服了普通锥度光纤相位共轭装置动态范围小、端面易损伤的缺点，同时又具有较高的激光反射率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多段锥度光纤相位共轭镜及其激光双程放大装置和方法。

多段锥度光纤相位共轭镜由四段芯径不同的光纤和三个过渡锥形组成，第一段光纤的纤芯直径d1为2mm～5mm，长度L1为0.1m～3m，第二段光纤的纤芯直径d2为1mm～2mm，长度L3为0.1m～3m，第三段光纤的纤芯直径d3为0.1mm～1mm，长度L5为0.1m～20m，第四段光纤的纤芯直径d4为1mm～4mm，长度L7为0.1m～20m，第一个过渡锥形的纤芯直径从d1逐渐变化为d2，第一个过渡锥形的长度L2为0.1m～3m，第二个过渡锥形的纤芯直径从d2逐渐变化为d3，第二个过渡锥形的长度L4为0.1m～3m，第三个过渡锥形的纤芯直径从d3逐渐变化为d4，第三个过渡锥形的长度L6为0.1m～3m，多段锥度光纤的总长度为1m～50m，光纤端面具有平整光滑的高光洁度平面，光纤的材料采用石英。

基于多段锥度光纤相位共轭镜的激光双程放大装置包括沿光轴方向顺次放置的激光器、第一偏振片、λ/2波片、法拉第磁致旋光器、第二偏振片、激光放大器、λ/4波片，第一透镜、第二透镜和多段锥度光纤，其中，所述第一透镜为凸透镜，第二透镜为凹透镜，第一透镜和第二透镜组成望远镜系统，第一透镜的焦距f₁= 100mm ~ 1000mm，第二透镜的焦距f₂= -20mm ~ -1000mm；第一透镜和第二透镜之间的距离D₁= f₁+ f₂＝20～1000mm。

基于多段锥度光纤相位共轭镜的激光双程放大方法包括如下步骤：

1) 从激光器输出的初始偏振态为P的激光通过由第一偏振片、λ/2波片、法拉第磁致旋光器和第二偏振片组成的光学隔离系统后进入激光放大器进行单程放大；

2）单程放大后的激光光束经过λ/4波片后偏振态变为圆偏振，然后进入由第一透镜和第二透镜组成的望远镜系统，对光束进行缩束，缩束后的探测光束束腰处直径小于多段锥度光纤入射端面的直径d1，为光纤入射端面的直径d1的0.6 ~ 0.95倍，多段锥度光纤的入射面放置于入射光束的束腰位置；

3）入射光束进入多段锥度光纤的第三段光纤后，激光能量密度提高至入射面处的100 ~ 1000倍，达到受激布里渊散射过程所需要的阈值，产生的受激布里渊散射激光沿后向传输，在多段锥度光纤的第二段光纤和入射激光相互作用，使得后向传输的受激布里渊散射激光能量得到预放大，预放大后的激光脉冲能量为初始值的10 ~ 100倍；预放大后的受激布里渊散射激光继续后向传输，在多段锥度光纤的第一段光纤中继续和入射激光相互作用，能量得到放大，最终产生放大的相位共轭光，放大后的相位共轭光的能量为入射光束能量的40% ~ 90%；残余的入射激光在经过第三段光纤后传输进入第四段光纤，最终透射出多段锥度光纤；

4）继续增加入射激光脉冲的能量，直至后向反射的受激布里渊散射激光将多段锥度光纤的入射端面造成损失，记录此时的入射激光脉冲能量，为多段锥度光纤的损伤阈值，将多段锥度光纤已受到损伤的入射端面切除；

5）后向传输的放大的相位共轭光依次经过第二透镜、第一透镜和λ/4波片，偏振态改变为S，再次进入激光放大器进行双程放大，双程放大后的激光被第二偏振片反射出光路。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明使用的多段锥度光纤相位共轭器件由四段芯径不同的光纤和三个过渡锥形组成，四段芯径不同的光纤分别具有不同的作用，第一段光纤具有较大的芯径，作为受激布里渊散射的功率放大级，有利于提高反射率，并且可以提高光纤的损伤阈值，第二段光纤的芯径略小，作为受激布里渊散射的预放大级，第三段光纤芯径最小，作为受激布里渊散射的产生级，可以降低受激布里渊散射的阈值，提高系统动态工作范围，第四段光纤芯径又有所增大，可以提高光纤出射面的损伤阈值。总体而言，多段锥度光纤相位共轭镜的装置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是多段锥度光纤相位共轭镜的结构示意图；

图2是基于多段锥度光纤相位共轭镜的激光双程放大装置的结构示意图；

图3是多段锥度光纤相位共轭镜的反射率测量曲线。

具体实施方式

本发明利用多段锥度光纤相位共轭镜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，多段锥度光纤相位共轭镜由四段芯径不同的光纤和三个过渡锥形组成，第一段光纤的纤芯直径d1为2mm～5mm，长度L1为0.1m～3m，第二段光纤的纤芯直径d2为1mm～2mm，长度L3为0.1m～3m，第三段光纤的纤芯直径d3为0.1mm～1mm，长度L5为0.1m～20m，第四段光纤的纤芯直径d4为1mm～4mm，长度L7为0.1m～20m，第一个过渡锥形的纤芯直径从d1逐渐变化为d2，第一个过渡锥形的长度L2为0.1m～3m，第二个过渡锥形的纤芯直径从d2逐渐变化为d3，第二个过渡锥形的长度L4为0.1m～3m，第三个过渡锥形的纤芯直径从d3逐渐变化为d4，第三个过渡锥形的长度L6为0.1m～3m，多段锥度光纤的总长度为1m～50m，光纤端面具有平整光滑的高光洁度平面，光纤的材料采用石英。

四段芯径不同的光纤分别具有不同的作用，第一段光纤具有较大的芯径，第二段光纤的芯径略小，第三段光纤芯径最小，入射激光进入多段锥度光纤后，由于第一段光纤和第二段光纤的芯径较大，难以产生受激布里渊散射，所以入射激光可以在能量不损伤的条件下通过第一段光纤和第二段光纤后进入第三段光纤，第三段光纤的芯径在几百微米，是受激布里渊散射的产生级，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，反射的受激布里渊散射激光后向传输，在第二段光纤中和入射激光相互作用，能量得到预放大，预放大后的受激布里渊散射激光继续后向传输，在第一段光纤中继续和入射激光相互作用，能量得到放大，残余的入射激光在经过第三段光纤后传输进入第四段光纤，最终透射出去

如图2所示，基于多段锥度光纤相位共轭镜的激光双程放大装置包括沿光轴方向顺次放置的激光器1、第一偏振片2、λ/2波片3、法拉第磁致旋光器4、第二偏振片5、激光放大器6、λ/4波片7，第一透镜8、第二透镜9和多段锥度光纤10，其中，所述第一透镜8为凸透镜，第二透镜9为凹透镜，第一透镜8和第二透镜9组成望远镜系统，第一透镜8的焦距f₁= 100mm ~ 1000mm，第二透镜9的焦距f₂= -20mm ~ -1000mm；第一透镜8和第二透镜9之间的距离D₁= f₁+ f₂＝20～1000mm。

多段锥度光纤相位共轭镜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。在多段锥度光纤芯径最小处产生斯托克斯光振荡，在多段锥度光纤入射端芯径较大处中得到放大并输出。基于多段锥度光纤相位共轭镜的激光双程放大方法包括如下步骤：

1) 从激光器1输出的初始偏振态为P的激光通过由第一偏振片2、λ/2波片3、法拉第磁致旋光器4和第二偏振片5组成的光学隔离系统后进入激光放大器6进行单程放大；

2）单程放大后的激光光束经过λ/4波片7后偏振态变为圆偏振，然后进入由第一透镜8和第二透镜9组成的望远镜系统，对光束进行缩束，缩束后的探测光束束腰处直径小于多段锥度光纤入射端面的直径d1，为光纤入射端面的直径d1的0.6 ~ 0.95倍，多段锥度光纤的入射面放置于入射光束的束腰位置；

3）在多段锥度光纤3的第一段和第二段中的激光光斑直径较大，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；入射光束进入多段锥度光纤10的第三段光纤后，激光能量密度提高至入射面处的100 ~ 1000倍，达到受激布里渊散射过程所需要的阈值，共同产生低于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，产生的受激布里渊散射激光沿后向传输，在多段锥度光纤10的第二段光纤和入射激光相互作用，使得后向传输的受激布里渊散射激光能量得到预放大，预放大后的激光脉冲能量为初始值的10 ~ 100倍；预放大后的受激布里渊散射激光继续后向传输，在多段锥度光纤10的第一段光纤中继续和入射激光相互作用，能量得到放大，最终产生放大的相位共轭光，放大后的相位共轭光的能量为入射光束能量的40% ~ 90%；残余的入射激光在经过第三段光纤后传输进入第四段光纤，最终透射出多段锥度光纤10；

4）继续增加入射激光脉冲的能量，直至后向反射的受激布里渊散射激光将多段锥度光纤的入射端面造成损失，记录此时的入射激光脉冲能量，为多段锥度光纤的损伤阈值，将多段锥度光纤已受到损伤的入射端面切除；多段锥度光纤相位共轭镜的装置可以继续使用，该装置工作可以有效工作的动态范围是，入射激光脉冲的能量在受激布里渊散射的阈值和多段锥度光纤的损伤阈值之间；在有效工作的动态范围内，多段锥度光纤相位共轭镜的装置可以产生放大的相位共轭激光，再次经过引起畸变的光路后，使畸变得到矫正或部分矫正；

5）后向传输的放大的相位共轭光依次经过第二透镜9、第一透镜8和λ/4波片7，偏振态改变为S，再次进入激光放大器6进行双程放大，双程放大后的激光被第二偏振片5反射出光路。

实施例：

实验中激光光源为Nd:YAG单纵模MOPA激光系统。种子激光器为LD泵浦的电光调Q单纵模激光器，脉冲重复频率为2000 Hz，输出功率2.1 W、光束质量因子M²<1.2，脉冲宽度15ns。从种子激光器出射的激光通过扩束装置和光学隔离器系统后进入预放大器进行预放大，预放大后激光功率为25W，光束质量因子M²<1.7。

从激光器1输出的初始偏振态为P的激光通过光学隔离系统后进入激光放大器进行单程放大。激光放大器采用两个侧面泵浦的Nd:YAG泵浦头，峰值泵浦功率达5400 W，激光晶体直径为10 mm，长度150mm。经过单程放大后，激光功率为98W，光束质量因子M²为5.5，脉冲宽度基本保持不变，仍未15ns左右。

单程放大后的激光光束经过λ/4波片后偏振态变为圆偏振，然后进入望远镜系统对光束进行缩束，望远镜缩束比为4:1，凸透镜的焦距为800mm，凹透镜的焦距为-200mm。缩束后的探测光束束腰处直径为2.2mm，多段锥度光纤的入射面放置于入射光束的束腰位置；

多段锥度光纤的参数如下，四段光纤的纤芯直径分别为d1 = 3.5mm，d2 = 2.2mm，d3 = 0.5mm，d4 = 1.5mm；四段光纤的长度分别为L1 = 0.5m，L3 = 0.8m，L5 = 1.5m，L7 = 1.5m；三个过渡锥形的长度分别为L2 = 0.4m，L4 = 0.4m，L6 = 0.5m。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，很快在第三段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，反射的受激布里渊散射激光后向传输，在第二段光纤中和入射激光相互作用，能量得到预放大，预放大后的受激布里渊散射激光继续后向传输，在第一段光纤中继续和入射激光相互作用，能量得到放大，残余的入射激光在经过第三段光纤后传输进入第四段光纤，最终透射出去。

图3为多段锥度光纤相位共轭镜的反射率测量曲线，可以看出多段锥度光纤相位共轭镜的反射率最高值达到了75%，动态范围为10倍。双程放大后激光脉冲能量最大为185mJ，光束质量因子M²为2.5。

Claims

1.一种多段锥度光纤相位共轭镜，其特征在于它由四段芯径不同的光纤和三个过渡锥形组成，第一段光纤的纤芯直径d1为2mm～5mm，长度L1为0.1m～3m，第二段光纤的纤芯直径d2为1mm～2mm，长度L3为0.1m～3m，第三段光纤的纤芯直径d3为0.1mm～1mm，长度L5为0.1m～20m，第四段光纤的纤芯直径d4为1mm～4mm，长度L7为0.1m～20m，第一个过渡锥形的纤芯直径从d1逐渐变化为d2，第一个过渡锥形的长度L2为0.1m～3m，第二个过渡锥形的纤芯直径从d2逐渐变化为d3，第二个过渡锥形的长度L4为0.1m～3m，第三个过渡锥形的纤芯直径从d3逐渐变化为d4，第三个过渡锥形的长度L6为0.1m～3m，多段锥度光纤的总长度为1m～50m，光纤端面具有平整光滑的高光洁度平面，光纤的材料采用石英。