CN109239825A

CN109239825A - 带阻滤波器

Info

Publication number: CN109239825A
Application number: CN201811214351.7A
Authority: CN
Inventors: 袁孝; 张翔; 高帆; 熊宝星
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明涉及一种带阻滤波器，应用于满足布拉格条件的入射光，所述带阻滤波器包括至少一块体布拉格光栅，所述体布拉格光栅将入射光进行衍射并输出透射光。本发明的带阻滤波器具体如下优点：1、实现了非聚焦形式的特定中高频波前畸变抑制，结构紧凑，空间体积小，在高功率激光应用中可以有效地抑制小尺度自聚焦等非线性效应；2、激光诱导损伤阈值高，可承受10J/cm²的能量密度；3、由于可选择性地采用不同结构参数的布拉格光栅，以使功能参数(折射率调制度、带阻滤波效率、带阻滤波带宽、带阻滤波特征频率)均可调谐；4、基于体布拉格光栅输入输出光束光轴不变，本发明的带阻滤波器可以实现在高功率激光系统即插即用使用。

Description

带阻滤波器

技术领域

本发明涉及一种带阻滤波器。

背景技术

在高功率激光系统中，当光强达到5×10⁹W/cm²时，光学元件中的非线性效应便不能忽略。光学元件表面以及内部的损伤点、污点、光学不均匀性以及光路中的灰尘等都会使得光束不可避免地收到空间调制，其中包括了振幅调制和相位调制。按照空间尺度分类，空间调制主要分为四个区域：figure区、waviness-I区、waviness-II区、roughness区，其中figure区为低频区，waviness-I和waviness-II区为中高频区，roughness区为高频区。waviness-I区域的中高频成分决定了光束聚焦后的焦斑分布，在光束聚焦后可能会直接导致聚焦处的堵孔效应；由B-T理论得知：受空间调制的影响，光束中的waviness-II区域的中高频成分会随传输距离的增大非线性迅速增长，这些中高频成分会直接导致光束中出现小尺度自聚焦现象，从而降低激光器的负载能力和输出光束质量。目前，针孔型空间滤波器已成为高功率激光系统中的不可或缺的关键装置，主要的功能包括：滤除光束中的中高频成分，实现光束的口径匹配以及像传递功能。但是，传统的空间滤波器仍然有诸多固有的缺陷，主要表现在：1、需要较大体积的真空环境来消除焦点处的空气击穿现象，系统调节复杂且造价和维护成本较高；2、需要较大的F数来克服像差；3、更严重的是，滤波器的小孔大小限制条件较多，小孔太大无法实现有效滤波，小孔太小会造成小孔边缘产生等离子体，从而造成“Back-Reflection”和堵孔效应。体布拉格光栅作为非聚焦型角选择滤波器，由于其具有极高的衍射效率、可调谐的布拉格选择特性以及较高的激光损伤阈值，可在光束近场直接实现空间滤波，有效提高光束近场均匀性，在强激光光束调控领域中有着广泛地应用。目前，可见国防科技大学光电科学与工程学院郑光威等人发表公开文献报告(郑光威，何焰蓝等，“透射型体相位光栅对连续激光束的空间低通滤波”，《光学学报》，2009年29卷第4期)；郑光威，刘莉等，“透射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性研究”，《光学学报》，2009年29卷第1期；郑光威，谭吉春等，“反射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性分析”，《光学学报》，2009年第12期)研究了体相位光栅对激光的衍射特性，这与应用体光栅制作成滤波器有关联性；可见用于实现空间滤波的体布拉格光栅的制备，用全息法在光致聚合物中记录了体布拉格光栅，完成了激光光束二维空间低通滤波的实验的公开文献报道(郑浩斌，何焰蓝等，“用于实现空间滤波的体布拉格光栅的制备”，《光电工程》，2009年第1期)；中国专利申请第CN201310628878.5号公开了一种无旁瓣角度选择激光滤波器，其由两块透射型体布拉格光栅组合而成。但是，传统的角选择滤波器利用的是布拉格衍射效率，且滤波后的光束是衍射光，滤波器输入光和输出光的光轴有明显偏折，这使得该传统角选择滤波器无法在高功率激光系统中即插即用的使用，对激光系统的光路设计和调节带来了困难，另外，传统的低通滤波虽然可以在一定程度上控制小尺度自聚焦效应，但过多的中高频成分的“流失”会造成平顶光束的填充因子下降，从而降低光束经过激光放大器时增益介质的能量提取效率。由B-T理论可知，毫米量级的中高频成分具有极大的非线性增益，是引起光束小尺度自聚焦效应的主要原因。所以，如何精确地控制光束中该特定区域的空间频率，从而抑制非线性效应，在突破高功率激光系统功率受限方面具有极大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带阻滤波器，以实现抑制非线性效应。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带阻滤波器，应用于满足布拉格条件的入射光，所述带阻滤波器包括至少一块体布拉格光栅，所述体布拉格光栅将入射光进行衍射并输出透射光。

进一步地，所述体布拉格光栅的数量为两块，包括第一体布拉格光栅和与所述第一体布拉格光栅在光栅矢量方向上相互正交的第二体布拉格光栅；所述第一体布拉格光栅将入射光进行第一次衍射并输出第一透射光，所述第二体布拉格光栅将所述第一体布拉格光栅输出的透射光进行第二次衍射并输出第二透射光。

进一步地，所述体布拉格光栅的数量为至少三块，相邻所述体布拉格光栅之间在光栅矢量方向上相互正交，入射光束依次通过至少三块体布拉格光栅以依次完成衍射进而输出透射光。

进一步地，所述体布拉格光栅为驼峰体布拉格光栅。

进一步地，所述驼峰体布拉格光栅为透射型光栅，且为相位型体布拉格光栅。

进一步地，所述体布拉格光栅为均匀周期的体布拉格光栅。

进一步地，根据所要达到的功能参数可选择性地采用不同结构参数的体布拉格光栅。

进一步地，当所述体布拉格光栅的数量大于或等于2块，每块布拉格光栅的结构参数相同或部分相同或全部不同。

进一步地，所述体布拉格光栅由光致热敏折射率玻璃制备而成。

进一步地，所述光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的硅酸盐玻璃。

本发明的带阻滤波器具体如下优点：

1、通过采用体布拉格光栅将入射光进行衍射并输出透射光，实现了非聚焦形式的中高频波前校正，结构紧凑，空间体积小，在高功率激光应用中配合空间滤波器可以有效地避免小尺度自聚焦等非线性效应；

2、通过采用体布拉格光栅将入射光进行衍射以输出透射光，使得激光诱导损伤阈值高，可承受10J/cm²的能量密度；

3、由于可选择性地采用不同结构参数的布拉格光栅，以使功能参数(折射率调制度、带阻滤波效率、带阻滤波带宽、带阻滤波特征频率)均可调谐；

4、基于体布拉格光栅输入输出光束光轴不变，本发明的带阻滤波器可以实现在高功率激光系统即插即用使用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的带阻滤波器的结构示意图；

图2为应用图1所示的带阻滤波器的强激光传输放大示意图；

图3为驼峰体布拉格光栅的角度选择函数；

图4为强激光传输放大近场强度分布图；

图5表示激光束经过不同片状放大器后的B积分和光束强度分布的调制度分布；

图6表示激光束经过不同片状放大器后光束强度功率谱密度函数(PSD)分布，该函数反映不同空间频率的相对分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1，本发明一实施例所示的带阻滤波器1应用于满足布拉格条件的入射光，以实现对某一特定中高频空间频率近场滤除，从而抑制高功率激光系统中非线性效应。该带阻滤波器1包括一块体布拉格光栅，所述体布拉格光栅将入射光进行衍射以输出透射光。由于体布拉格光栅角度选择特性，体布拉格光栅可对光束中的某一区域的中高频调制实现衍射，对于透射光，该区域空间频率滤除，即实现了带阻滤波。所述体布拉格光栅由光致热敏折射率玻璃制备而成，所述光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的硅酸盐玻璃。

在其他实施方式中，本发明的带阻滤波器可以包括两块体布拉格光栅，其中包括第一体布拉格光栅和与所述第一体布拉格光栅在光栅矢量方向上相互正交的第二体布拉格光栅；所述第一体布拉格光栅将入射光进行第一次衍射以输出第一透射光，所述第二体布拉格光栅将所述第一体布拉格光栅输出的透射光进行第二次衍射以输出第二透射光；又或者，本发明的带阻滤波器内的体布拉格光栅的数量可以为三块或者以上，相邻所述体布拉格光栅之间在光栅矢量方向上相互正交，入射光束依次通过至少三块体布拉格光栅以依次完成衍射进而输出透射光。所述体布拉格光栅由光致热敏折射率玻璃制备而成，所述光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的硅酸盐玻璃。由于光束入射角、衍射角以及光栅中心波长、角度(光谱)选择性等关键参数，均可通过改变光栅厚度、折射率调制度、光栅周期、光栅矢量倾斜角等结构参数来调节，而布拉格光栅的结构参数又将影响功能参数(折射率调制度、带阻滤波效率、带阻滤波带宽、带阻滤波特征频率)，为了使得本发明的带阻滤波器1的功能参数可调谐，所以，本实施例中，根据所要达到的功能参数可选择性地采用不同结构参数的体布拉格光栅。当所述体布拉格光栅的数量大于或等于2块，每块布拉格光栅的结构参数相同或部分相同或全部不同，例如，在一个实施例中，其所采用的每块体布拉格光栅的光栅厚度、光栅周期均不同。

由于驼峰体布拉格光栅具有特殊的角度选择特性和激光损伤阈值，被认为是理想的激光光束调控器件，具有很高的可调性。所以，在本实施例中，该体布拉格光栅采用驼峰体布拉格光栅，该驼峰体布拉格光栅可以采用透射型光栅且为相位型体布拉格光栅。该驼峰体布拉格光栅为均匀周期的体布拉格光栅。

驼峰体布拉格光栅光学性能主要表现在：

(1)具有特定的中高频空间频率滤除能力，滤波特征频率在1.0mm^-1附近可调谐；

(2)带阻滤波效率较高，633nm到1550nm范围可大于50％

(3)损伤阈值高，对于1ns的YAG激光，损伤阈值可以达到7～10J/cm²，对于8～10ns的激光可达30～40J/cm²；

(4)损耗小，光栅损耗小于2.5％。

上述带阻滤波器的原理：驼峰体布拉格光栅具有特殊的角度选择能力，当入射光布拉格条件入射驼峰体布拉格光栅时，光束中的某一特定区域的中高频成分会经光栅衍射出光束，对于透射光即实现了带阻滤波。

详细分析如下：

由经典Kogelnik耦合波理论，有吸收的相位型体布拉格光栅的衍射效率为：

其中：

η表示光栅衍射效率，K表示光栅矢量，与光栅周期成反比，d、n₁和φ分别表示光栅厚度，折射率调制度和光栅矢量倾斜角。β表示入射光的波矢量，θ₀表示光栅的布拉格角。Δθ表示偏离布拉格条件的角度量。当光束满足布拉格条件入射时，光栅衍射效率η变为：

当光栅厚度与折射率调制度满足：

且N为偶数时，光栅衍射效率为零，此时驼峰体布拉格光栅的角度选择曲线如图3所示。

请结合图1，入射光满足布拉格条件入射驼峰体布拉格光栅，某一区域的空间频率发生衍射，而其他的低频和高频成分只能透射过光栅，对于最终的透射光，实现了带阻滤波效果。

请结合图2，第一放大模组3和第二放大模组4分别表示1级和2级放大，第一放大模组3、第二放大模组4分别由五个片状放大器2组成，介质为钕玻璃，以布儒斯特角56.29°放置，非线性折射率系数约为1.02×10^-13esu。第一放大模组3和第二放大模组4之间设置带阻滤波器1。

图4(a)表示初始脉冲激光强度分布，中心波长1053nm，脉冲宽度3.5ns，平均光强2.27GW/cm²，口径40mm×40mm。图4(b)表示初始光经第一放大模组3放大后的输出光束强度分布，图4(c)表示初始光直接经过第一放大模组3和第二放大模组4放大后的输出光束强度分布，光束内部有明显小尺度“成丝”现象，局部光强迅速增大，图4(d)表示经第一放大模组3放大后的输出光束经带阻滤波器滤波后再经过第二放大模组4放大后的输出光束强度分布，由于特定的空间频率的抑制，输出光束的“成丝”现象得到改善，两块驼峰体布拉格光栅，分别用于实现水平方向和垂直方向的带阻滤波，结构参数完全相同且如表1所示。

光栅周期	光栅厚度	折射率调制度	中心衍射效率	特征滤波频率
					1.18μm	4.00mm	1256ppm	82.96％	1.05mrad

图5表示激光束经过不同片状放大器后的B积分和光束强度分布的调制度分布。初始光调制度为1.14，经第一放大模组3放大后，局部“成丝”现象明显，调制度增加到1.21，此时累积B积分达到1.49。Amp.1输出光束直接经第二放大模组4放大，“成丝”现象明显加重，调制度迅速增长到2.69，B积分为3.34，光束质量明显下降。但第一放大模组3输出光束经过带阻滤波器1进行带阻滤波后再经第二放大模组4放大后，调制度1.37，输出光束“成丝”现象明显得到抑制。

图6表示激光束经过不同片状放大器后光束强度功率谱密度函数(PSD)分布，该函数反映不同空间频率的相对分布。经第二放大器3放大的输出光束相比于初始光，大于0.2mm^-1的空间频率明显得到增大，但0.6mm^-1～1.2mm^-1的空间频率增长较快，用带阻滤波器1滤除该特定空间频率段，经第二放大模组4放大后的中高频成分相比于未经带阻滤波器1滤波后的有明显降低。

上述带阻滤波器具体如下优点：

1、通过采用体布拉格光栅将入射光进行衍射以输出透射光，实现了非聚焦形式的中高频波前校正，结构紧凑，空间体积小，在高功率激光应用中配合空间滤波器可以有效地避免小尺度自聚焦等非线性效应；

综上所述，本发明的带阻滤波器可有效抑制光束中快速非线性增长较快的空间频率成分，从而为抑制小尺度自聚焦等非线性效应提供了新的技术手段。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种带阻滤波器，其特征在于，应用于满足布拉格条件的入射光，所述带阻滤波器包括至少一块体布拉格光栅，所述体布拉格光栅将入射光进行衍射并输出透射光。

2.如权利要求1所述的带阻滤波器，其特征在于，所述体布拉格光栅的数量为两块，包括第一体布拉格光栅和与所述第一体布拉格光栅在光栅矢量方向上相互正交的第二体布拉格光栅；所述第一体布拉格光栅将入射光进行第一次衍射并输出第一透射光，所述第二体布拉格光栅将所述第一体布拉格光栅输出的透射光进行第二次衍射并输出第二透射光。

3.如权利要求1所述的带阻滤波器，其特征在于，所述体布拉格光栅的数量为至少三块，相邻所述体布拉格光栅之间在光栅矢量方向上相互正交，入射光束依次通过至少三块体布拉格光栅以依次完成衍射进而输出透射光。

4.如权利要求1或2或3所述的带阻滤波器，其特征在于，所述体布拉格光栅为驼峰体布拉格光栅。

5.如权利要求4所述的带阻滤波器，其特征在于，所述驼峰体布拉格光栅为透射型光栅，且为相位型体布拉格光栅。

6.如权利要求5所述的带阻滤波器，其特征在于，所述体布拉格光栅为均匀周期的体布拉格光栅。

7.如权利要求1或2或3所述的带阻滤波器，其特征在于，根据所要达到的功能参数可选择性地采用具有不同结构参数的体布拉格光栅。

8.如权利要求7所述的带阻滤波器，其特征在于，当所述体布拉格光栅的数量大于或等于2块，每块布拉格光栅的结构参数相同或部分相同或全部不同。

9.如权利要求1或2或3所述的带阻滤波器，其特征在于，所述体布拉格光栅由光致热敏折射率玻璃制备而成。

10.如权利要求9所述的带阻滤波器，其特征在于，所述光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的硅酸盐玻璃。