CN107121871A - 一种受激布里渊散射相位共轭镜单池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其包括：依次放置的SBS池、凹面反射镜；其中，入射激光被凹面反射镜反射后聚焦到SBS池中，当入射到SBS池中的能量大于SBS阈值时，会产生后向传播的Stokes光，后向传播的Stokes光被凹面反射镜反射后，再次入射到SBS池中，Stokes光被放大，Stokes光被输出。本发明用于高能量高重复频率激光系统中，可以获得高反射率、高保真度和稳定的激光输出。
Description
技术领域
本发明属于光学设备技术领域，特别涉及一种可以用于高能量高重复频率的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置。
背景技术
受激布里渊散射相位共轭镜(SBS-PCM，Stimulated Brillouin ScatteringPhase Conjugate Mirror)常被用在激光系统中实时补偿激光放大器的热畸变、不均匀性和光学元件等造成的光束波前畸变。在高能量高重复频率激光系统中，对光束质量要求非常严格。然而，由于激光晶体的热透镜和热致双折射等效应，导致激光系统的光束质量随着泵浦功率的增加而急剧下降。即使采用激光二极管泵浦或板条等晶体结构，仍无法避免严重的热沉积。在这种情况下，采用受激布里渊散射(SBS，Stimulated BrillouinScattering)技术是改善激光光束质量的有效途径。
SBS-PCM最简单的结构是单池结构，由一个聚焦透镜和一个SBS产生池构成。由于这种结构负载能力有限，在高能量激光系统中会导致反射率和保真度的大幅下降，因此在高能量激光系统中通常采用双池结构。双池结构一般是由一个SBS放大池、一个聚焦透镜和一个SBS产生池构成，在SBS产生池中产生后向传播的Stokes脉冲，这个脉冲与正向传播的入射光脉冲在SBS放大池中相遇，获得放大，但是这种双池结构相对复杂。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，用于高能量高重复频率激光系统中，可以获得高反射率、高保真度和稳定的激光输出。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其包括：依次放置的SBS池、凹面反射镜；其中，入射激光被凹面反射镜反射后聚焦到SBS池中，当入射到SBS池中的能量大于SBS阈值时，会产生后向传播的Stokes光，后向传播的Stokes光被凹面反射镜反射后，再次入射到SBS池中，Stokes光被放大，Stokes光被输出。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明受激布里渊散射相位共轭镜单池装置至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本发明采用凹面反射镜来激发SBS效应，和SBS-PCM双池结构相比，本发明只使用一个SBS池，结构更加紧凑，在简化SBS-PCM双池结构的同时，还能够在高能量高重复频率激光系统中获得高反射率、高保真度和稳定的激光输出；
(2)本发明的凹面反射镜具有一定的倾角，避免了凹面反射镜聚焦到SBS池中透射的光干扰主激光，降低激光光束质量；
(3)凹面反射镜通过连接部件和旋转电机连接，入射光通过旋转的凹面反射镜聚焦到SBS池中，使光束在SBS池中焦点作圆周扫描，降低焦点的热沉积，提高激光的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例包含SBS-PCM的激光光路示意图。
图2为本发明实施例光束在SBS池中焦平面的光斑位置示意图。
图3为本发明实施例激光入射SBS池光路示意图。
图4为本发明实施例激光出射SBS池光路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的示例性实施例中，提供了一种受激布里渊散射相位共轭镜单池装置。图1为本发明实施例包含SBS-PCM的激光光路示意图。如图1所示，本发明受激布里渊散射相位共轭镜SBS-PCM单池装置包括：SBS池、凹面反射镜。入射激光被凹面反射镜反射后聚焦到SBS池中，当入射到SBS池中的能量大于SBS阈值时，会产生后向传播的Stokes光，后向传播的Stokes光被凹面反射镜反射后，再次入射到SBS池中，Stokes光被放大，Stokes光被输出。
产生后向传播的Stokes光时还会有部分透射光，为了避免经凹面反射镜反射后聚焦到SBS池中透射的光干扰主激光，降低激光光束质量，凹面反射镜需要倾斜一定的角度，另外，还设置了垃圾桶，使上述的透射光入射到垃圾桶中。
对于凹面反射镜的倾角，即凹面反射镜与法线的夹角α，夹角α既不能太小，也不能太大。如果太小，上述的部分透射光与主激光分不开，会干扰主激光；如果太大，会产生比较严重的像差。所以夹角α的一般要求为：其中，θ表示入射激光的发散角，D表示SBS池的口径，R表示凹面反射镜凹面的半径。
作为一种具体的实施方式，凹面反射镜(不一定是平凹)的反射面镀了激光器输出激光波长的高反膜，假如激光器输出激光的波长是1053nm，凹面反射镜的反射面反射率需大于99.9％。
为了降低焦点的热沉积，本发明受激布里渊散射相位共轭镜SBS-PCM单池装置还包括：连接部件、旋转电机。凹面反射镜通过连接部件与旋转电机连接，入射激光通过旋转的凹面反射镜聚焦到SBS池中，使光束在SBS池中焦点作圆周扫描(如图2所示)，降低焦点的热沉积，提高激光的稳定性。
对于旋转电机的转速，转速ω如果太小，每个脉冲移动的距离小，不能大幅降低焦点处的有效重复频率；转速太大的话，会影响激光系统的稳定性。所以ω的一般要求为：其中，θ表示入射激光的发散角，f表示激光的重复频率。
图1为本发明实施例包含SBS-PCM的激光光路示意图、图3为本发明实施例激光入射SBS池光路示意图、图4为本发明实施例激光出射SBS池光路示意图。如图1、3、4所示，激光器输出的激光依次通过偏振片(或者是偏振分光棱镜)、放大器、1/4波片(或者是45°法拉第旋光器)、SBS池(SBS池可以是固体、也可以是充满液体或气体的池子)、凹面反射镜，激光光束被具有一定倾角的凹面反射镜反射后聚焦到SBS池(此时SBS池相当于双池结构中的SBS产生池)中，当入射到SBS池中的能量大于SBS阈值时，会产生后向传播的Stokes光，还会有部分透射光。为了避免透射光干扰主激光，凹面反射镜需要倾斜一定的角度。为了降低焦点的热沉积，凹面反射镜需要与旋转电机连接，使光束在SBS池中焦点作圆周扫描。后向传播的Stokes光被凹面反射镜反射后，再次入射到SBS池(此时SBS池相当于双池结构中的SBS放大池)中，Stokes光被放大，通过1/4波片、放大器后，被偏振片侧向输出。具体过程为：
激光器输出的激光经过偏振片检偏为p偏振；
p偏振经过放大器后，能量被放大；
放大后的激光经过1/4波片后变成圆偏振光；
此时SBS增益因子gIL(g为SBS池中介质的增益系数，I为光强，此时L为SBS池的长度)小于SBS产生的阈值，即不满足SBS发生的条件，圆偏振光第一次直接通过SBS池，不发生SBS现象；
经过SBS池的激光被具有一定倾角的凹面反射镜反射后聚焦到SBS池中，由于光强I的增加，此时SBS增益因子gIL(此时L为有效相互作用长度)大于SBS产生的阈值，会产生后向传播的Stokes光，还会有部分透射光。为了避免透射光干扰主激光，凹面反射镜需要倾斜一定的角度。为了降低焦点的热沉积，凹面反射镜需要与旋转电机连接，使光束在SBS池中焦点作圆周扫描。透射光入射到垃圾桶中；
后向传播的Stokes光被凹面反射镜反射后，再次入射到SBS池中，Stokes光被放大；
通过1/4波片后，圆偏振光变成s偏振光；
s偏振光再次经过放大器，获得二次放大的同时，补偿了放大器产生的波前畸变；
s偏振光被偏振片侧向输出。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明受激布里渊散射相位共轭镜单池装置有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
综上所述，本发明提供了一种受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，可以实时补偿激光放大器的热畸变、不均匀性和光学元件等造成的光束波前畸变，获得高光束质量近衍射极限的高能量高重复频率激光输出。和现有SBS-PCM双池结构相比，现有SBS-PCM双池结构采用的是透射型的聚焦透镜来激发SBS效应；本发明采用的是旋转的反射型聚焦反射镜来激发SBS效应。本发明只使用一个SBS池，使得结构更加紧凑，在简化SBS-PCM双池结构的同时，还能够在高能量高重复频率激光系统中获得高反射率、高保真度和稳定的激光输出。凹面反射镜有一定的倾角，避免凹面反射镜聚焦到SBS池中透射的光干扰主激光，降低激光光束质量。凹面反射镜通过连接部件和旋转电机连接，入射光通过旋转的凹面反射镜聚焦到SBS池中，使光束在SBS池中焦点作圆周扫描，降低焦点的热沉积，提高激光的稳定性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其包括：依次放置的SBS池、凹面反射镜；其中，
入射激光被凹面反射镜反射后聚焦到SBS池中，当入射到SBS池中的能量大于SBS阈值时，会产生后向传播的Stokes光，后向传播的Stokes光被凹面反射镜反射后，再次入射到SBS池中，Stokes光被放大，Stokes光被输出。
2.根据权利要求1所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，所述凹面反射镜倾斜放置。
3.根据权利要求2所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，所述凹面反射镜的倾角α为：
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&theta;</mi>
<mo>&le;</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo><</mo>
<mfrac>
<mi>D</mi>
<mi>R</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，θ表示入射激光的发散角，D表示SBS池的口径，R表示凹面反射镜凹面的半径。
4.根据权利要求2或3所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，所述凹面反射镜的反射面镀有激光器输出激光波长的高反膜。
5.根据权利要求3所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，还包括：连接部件和旋转电机，所述凹面反射镜通过连接部件与旋转电机连接，入射激光通过旋转的凹面反射镜聚焦到SBS池中，使光束在SBS池中焦点作圆周扫描。
6.根据权利要求5所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，所述旋转电机的转速为：
<mrow>
<mfrac>
<mi>&theta;</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mi>f</mi>
<mo>&le;</mo>
<mi>&omega;</mi>
<mo><</mo>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>f</mi>
</mrow>
其中，θ表示入射激光的发散角，f表示激光的重复频率。
7.根据权利要求5所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，激光光束经过SBS池的具体过程为：
激光器输出的激光经过偏振结构检偏为p偏振；
p偏振经过放大器后，能量被放大；
放大后的激光经过1/4波片后变成圆偏振光；
此时SBS增益因子gIL小于SBS产生的阈值，即不满足SBS发生的条件，圆偏振光第一次直接通过SBS池，不发生SBS现象；
经过SBS池的激光被凹面反射镜反射后聚焦到SBS池中，由于光强I的增加，此时SBS增益因子gIL大于SBS产生的阈值，会产生后向传播的Stokes光；
后向传播的Stokes光被凹面反射镜反射后，再次入射到SBS池中，Stokes光被放大；
通过1/4波片后，圆偏振光变成s偏振光；
s偏振光再次经过放大器，获得二次放大的同时，补偿了放大器产生的波前畸变；
s偏振光被偏振结构侧向输出。
8.根据权利要求7所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，所述偏振结构为偏振片或者偏振分光棱镜。
9.根据权利要求7所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，1/4波片替换为45°法拉第旋光器。
10.根据权利要求1所述的受激布里渊散射相位共轭镜单池装置，其中，还包括：垃圾桶，用于接收产生后向传播的Stokes光时产生的透射光。
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