CN109273980A - 基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置及方法 - Google Patents

基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置及方法,属于非线性光学技术领域。本发明从第一楔形镜透射的激光脉冲进入SBS介质池中,经随机分布的热噪声散射形成自发布里渊散射,散射光与激光脉冲相互干涉,形成声子场,激光脉冲经声子场散射使光成分增强,最终形成受激布里渊散射;SBS介质池中形成的反射光经第一楔形镜取样后进入反射光监测系统;SBS介质池的透射光为近场匀化后的激光,经第二楔形镜取样的部分进入出射光监测系统,其余光经第二楔形镜透射后输出。本发明解决了现有提高激光近场均匀性技术能量损耗高、光路结构复杂的问题。本发明可用于大口径激光输出的高功率激光应用。

Description

基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置及方法
技术领域
本发明涉及提高激光近场均匀性的装置及方法,属于非线性光学技术领域。
背景技术
高功率激光器在惯性约束核聚变、工业加工、高能密度物理研究等领域发挥着重要作用。近场光束质量对高功率激光器的应用具有重要影响,本发明中的高功率激光指的主要是功率100W以上的激光。提高激光装置的负载能力要求尽可能减小光束空间分布的不均匀性,即降低光束近场调制度。影响近场强度调制度的主要因素是光束传输过程中各种元器件强度和位相扰动产生的衍射调制。高功率激光系统中使用了各种光学元件,除表面本身具有一些微小的、凹凸不平的起伏外(加工时留下),在运输、储存、装校和运行过程中还不可避免地将留下人为的划痕(表面疵病)以及被灰尘所沾污。这些污点将造成光束上小尺度的强度或位相调制,即引入高频调制。这些高频调制成分恰恰对应于增益较高的非线性增长,是造成光学元件丝状破坏的根源。
目前,改善激光近场光强均匀性是要采用液晶空间光调制和光谱角色散匀滑(smoothing by spectral dispersion,SSD)等技术。
液晶空间光调制器是一种主动控制光束振幅的器件。利用可编程液晶空间光调制器,根据激光系统,调整各个位置的透射率或反射率,达到对光束的任意空间整形。在整形效果上,可编程液晶空间光调制器可以得到较好的近场光束质量,但这也是以牺牲能量为代价的,相当一部分的能量会因为这一器件的引入而损耗掉。因此,只有在激光系统增益足够的情况下,用可编程液晶空间光调制器进行空间整形更为合适。
利用啁啾脉冲堆积得到的整形脉冲做光谱角色散可以改善近场均匀性。光谱角色散匀滑技术可抑制散斑,减小各种参量不稳定性效应的危害。其基本原理是利用光栅对相位调制脉冲进行色散,使激光束在散斑沿光栅色散方向快速扫动,从而在较短的积分时间内提高激光的辐照均匀性。这一技术的优点是在保持光束包络不变的前提下,能有效地抹平强度调制,从而降低通量对比度。三方向光谱角色散匀滑技术能高效提高激光均匀性,但光路结构复杂、调节较为困难。
受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)是一种被广泛应用的三阶非线性效应。SBS效应的强弱依赖于入射激光的强度,光束中光强不同的部分产生不同强度的反射光。激光近场均匀性的提高在防止高功率激光装置元件损伤,提高系统运行通量等方面具有重要的应用价值。
发明内容
本发明为解决现有提高激光近场均匀性技术能量损耗高、光路结构复杂的问题,提供了基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置及方法。
本发明所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置,包括依次设置的高功率激光源、激光隔离器、第一楔形镜、SBS介质池、第二楔形镜;SBS表示受激布里渊散射;所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置还包括入射光监测系统、反射光监测系统以及出射光监测系统;
所述高功率激光源出射的激光脉冲,经激光隔离器后入射到第一楔形镜,经第一楔形镜取样的部分反射光进入入射光监测系统,经第一楔形镜透射的激光脉冲进入SBS介质池中;SBS介质池中形成的反射光经第一楔形镜取样后进入反射光监测系统;SBS介质池的透射光入射到第二楔形镜,经第二楔形镜取样的部分进入出射光监测系统,经第二楔形镜透射的光进行输出。
作为对上述方案的进一步阐述;
进一步的,所述入射光监测系统包括第一能量卡计与第一CCD相机;激光脉冲经第一楔形镜的一个面反射的部分进入第一能量卡计,激光脉冲经第一楔形镜的另一个面反射的部分进入第一CCD相机。
进一步的,所述反射光监测系统包括第一光电探测器和第一光学陷阱;SBS介质池中形成的反射光经第一楔形镜的一个面反射的部分进入第一光电探测器,反射光经第一楔形镜的另一个面反射的部分进入第一光学陷阱中。
进一步的,所述出射光监测系统包括第二CCD相机和第二光学陷阱;SBS介质池的透射光经第二楔形镜的一个面反射的部分进入第二CCD相机,透射光经第二楔形镜的另一个面反射的部分进入第二光学陷阱中。
进一步的,所述SBS介质池中装满非线性材料。
进一步的,所述非线性材料为CS2、FC-72或FC-40。
本发明所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的方法,通过以下技术方案实现:
激光脉冲从高功率激光源出射,经激光隔离器后入射到第一楔形镜,激光隔离器仅允许激光单方向通过,经第一楔形镜取样的部分反射光进入入射光监测系统,实时监测入射光的各项参数;从第一楔形镜透射的激光脉冲进入SBS介质池中;激光脉冲经SBS介质池中随机分布的热噪声散射形成自发布里渊散射,散射光沿与激光脉冲相反的方向传输,并与激光脉冲相互干涉,形成声子场,激光脉冲经声子场散射使光成分增强,增强的光与激光脉冲相互干涉,使声子场进一步增加,这样反复作用最终形成受激布里渊散射;SBS介质池中形成的反射光经第一楔形镜取样后进入反射光监测系统;SBS介质池的透射光为近场匀化后的激光,经第二楔形镜取样的部分进入出射光监测系统,其余光经第二楔形镜透射后输出。
本发明最为突出的特点和显著的有益效果是:
本发明所涉及的基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置及方法,基于受激布里渊散射光强依赖的特性,光强越强,受激散射越严重,将高功率激光导入到SBS介质池中,可以抹平光束中光强较强的部分,最终使透射光的近场均匀性得到提高。此方案结构简单,便于操作。并且,本发明能量效率高,在提高光束近场调制度的同时,可以实现高达90%的能量效率。适用于大口径激光输出的高功率激光装置。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图;
图2是第一楔形镜取样的反射光进入入射光监测系统示意图;
图3是SBS介质池中的反射光经第一楔形镜取样后进入反射光监测系统示意图;
图4是第二楔形镜取样的部分进入出射光监测系统示意图;
图5是实施例中为从高功率激光源输出的未经处理的激光近场分布图;
图6是实施例中未经处理的激光的一维空间强度分布曲线图;
图7是实施例中采用本发明处理后的激光近场分布图;
图8是实施例中采用本发明处理后的激光的一维空间强度分布曲线图;
图9是实施例中激光近场调制度和能量效率随工作光强的演化关系图;
其中,1.高功率激光源,2.激光隔离器,3.第一楔形镜,4.SBS介质池,5.第二楔形镜,6.入射光监测系统,7.反射光监测系统,8.出射光监测系统,9.第一能量卡计,10.第一CCD相机,11.第一光电探测器,12.第一光学陷阱,13.第二CCD相机,14.第二光学陷阱。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1对本实施方式进行说明,本实施方式给出的基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置,包括依次设置的高功率激光源1、激光隔离器2、第一楔形镜3、SBS介质池4、第二楔形镜5;SBS表示受激布里渊散射;所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置还包括入射光监测系统6、反射光监测系统7以及出射光监测系统8;
所述高功率激光源1出射的激光脉冲,经激光隔离器2后入射到第一楔形镜3,经第一楔形镜3取样的部分反射光进入入射光监测系统6,可以实时监测入射光的各项参数,经第一楔形镜3透射的激光脉冲进入SBS介质池4中,用于激发受激布里渊散射;SBS介质池4中形成的反射光经第一楔形镜3取样后进入反射光监测系统7;SBS介质池4的透射光入射到第二楔形镜5,经第二楔形镜5取样的部分进入出射光监测系统8,经第二楔形镜5透射的光进行输出。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是,所述入射光监测系统6包括第一能量卡计9与第一CCD相机10;如图2所示,激光脉冲经第一楔形镜3的一个面反射的部分进入第一能量卡计9对其能量进行记录,激光脉冲经第一楔形镜3的另一个面反射的部分进入第一CCD相机10对其激光近场进行记录。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一不同的是,所述反射光监测系统7包括第一光电探测器11和第一光学陷阱12;如图3所示,SBS介质池4中形成的反射光经第一楔形镜3的一个面反射的部分进入第一光电探测器11对其波形进行记录,反射光经第一楔形镜3的另一个面反射的部分进入第一光学陷阱12中被吸收掉。
其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一不同的是,所述出射光监测系统8包括第二CCD相机13和第二光学陷阱14;如图4所示,SBS介质池4的透射光经第二楔形镜5的一个面反射的部分进入第二CCD相机13对其激光近场进行记录,透射光经第二楔形镜5的另一个面反射的部分进入第二光学陷阱14中被吸收。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一、二、三或四不同的是,所述SBS介质池4中装满非线性材料,非线性材料可以是液体、气体、固体中的任意一种。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三、或四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式五不同的是,所述非线性材料为CS2、FC-72或FC-40。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七,本实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六不同的是,本实施方式中,激光隔离器替换为由“半波片+偏振片+四分之一波片”组成的结构,高功率激光源输出的p偏振光通过λ/2波片、偏振片,再经过λ/4波片,变成圆偏振光进入后续元件,从SBS介质池反射回来的Stokes光通过λ/4波片变成s偏振光,经过偏振片反射出去,使反射光不会进入激光系统,起到光学隔离的作用。
具体实施方式八:结合图1、图2、图3、图4对本实施方式进行说明,本实施方式给出的基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的方法,具体包括:
激光脉冲从高功率激光源出射,经激光隔离器后入射到第一楔形镜,激光隔离器仅允许激光单方向通过,而反方向的通过率为0,这样可以起到保护高功率激光源的作用。经第一楔形镜取样的部分反射光进入入射光监测系统,实时监测入射光的各项参数。入射光监测系统如图2所示,激光脉冲经第一楔形镜的一个面反射的部分进入第一能量卡计对其能量进行记录,激光脉冲经第一楔形镜的另一个面反射的部分进入第一CCD相机对其激光近场进行记录;从第一楔形镜透射的激光脉冲进入SBS介质池中,用于激发受激布里渊散射;SBS介质池中装满非线性材料(CS2、FC-72、FC-40等)。激光脉冲经SBS介质池中随机分布的热噪声散射形成自发布里渊散射,散射光沿与激光脉冲相反的方向传输,自发布里渊散射光中具有布里渊频移的Stokes成分(斯托克斯光)与激光脉冲相互干涉,形成声子场,激光脉冲经声子场散射使光成分增强,增强的光与激光脉冲相互干涉,使声子场进一步增加,这样反复作用的结果是使Stokes光雪崩式的增强,最终形成受激布里渊散射;SBS介质池中形成的反射光经第一楔形镜取样后进入反射光监测系统;反射光监测系统如图3所示,SBS介质池中的反射光经第一楔形镜的一个面反射的部分进入第一光电探测器对其波形进行记录,反射光经第一楔形镜的另一个面反射的部分进入第一光学陷阱中被吸收掉。SBS介质池的透射光为近场匀化后的激光,经第二楔形镜取样的部分进入出射光监测系统,其余光经第二楔形镜透射后输出;出射光监测系统如图4所示,SBS介质池的透射光经第二楔形镜的一个面反射的部分进入第二CCD相机对其激光近场进行记录,透射光经第二楔形镜的另一个面反射的部分进入第二光学陷阱中被吸收。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
高功率激光源生成3ns激光脉冲,通过35cm长的装有FC-40液体的SBS介质池,监测激光近场匀性的情况:
对采用本发明方法处理前后的激光近场均匀性进行对比。图5为从高功率激光源输出的未经处理的激光近场分布图,其一维空间强度分布曲线(取自近场中心部分y=0)如图6所示。此激光近场分布图像可由入射光监测系统中的第一CCD相机测得;可以看出,此时激光近场光强分布均匀性较差,存在较大的近场调制。以此激光作为泵浦光导入SBS介质池中,激光近场光强较大的部分激发较强的受激散射而使光强削弱,激光近场光强较小的部分激发较弱的受激散射甚至不激发受激散射,光强不受影响,最终导致近场调制度的下降。图7所示为SBS介质池透射的激光近场分布图,其一维空间强度分布曲线(取自近场中心部分y=0)如图8所示。此激光近场分布图像可由出射光监测系统中的第二CCD相机测得。可以看出,此时激光近场光强分布均匀性得到了明显的提高,激光近场调制度下降。
图9是不同激光强度下本实施例中输出激光的近场调制度和能量效率曲线,其中,实线表示近场调制度随激光强度变化曲线,虚线表示能量效率随激光强度变化曲线。可以看出,当系统工作平均光强较低(低于200MW/cm2)时,近场调制度较大且维持不变,此后,随着工作光强的提高,近场调制度明显下降,表明激光近场得到了匀化。在整个过程中本发明方法都具有较高的能量效率,图9中当近场调制度达到最小值时,能量效率都保持在90%以上。这充分说明了本发明是高效、可靠的。
本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置,其特征在于,所述装置包括依次设置的高功率激光源(1)、激光隔离器(2)、第一楔形镜(3)、SBS介质池(4)、第二楔形镜(5);SBS表示受激布里渊散射;所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置还包括入射光监测系统(6)、反射光监测系统(7)以及出射光监测系统(8);
所述高功率激光源(1)出射的激光脉冲,经激光隔离器(2)后入射到第一楔形镜(3),经第一楔形镜(3)取样的部分反射光进入入射光监测系统(6),经第一楔形镜(3)透射的激光脉冲进入SBS介质池(4)中;SBS介质池(4)中形成的反射光经第一楔形镜(3)取样后进入反射光监测系统(7);SBS介质池(4)的透射光入射到第二楔形镜(5),经第二楔形镜(5)取样的部分进入出射光监测系统(8),经第二楔形镜(5)透射的光进行输出。
2.根据权利要求1所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置,其特征在于,所述入射光监测系统(6)包括第一能量卡计(9)与第一CCD相机(10);激光脉冲经第一楔形镜(3)的一个面反射的部分进入第一能量卡计(9),激光脉冲经第一楔形镜(3)的另一个面反射的部分进入第一CCD相机(10)。
3.根据权利要求1所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置,其特征在于,所述反射光监测系统(7)包括第一光电探测器(11)和第一光学陷阱(12);SBS介质池(4)中形成的反射光经第一楔形镜(3)的一个面反射的部分进入第一光电探测器(11),反射光经第一楔形镜(3)的另一个面反射的部分进入第一光学陷阱(12)中。
4.根据权利要求1所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置,其特征在于,所述出射光监测系统(8)包括第二CCD相机(13)和第二光学陷阱(14);SBS介质池(4)的透射光经第二楔形镜(5)的一个面反射的部分进入第二CCD相机(13),透射光经第二楔形镜(5)的另一个面反射的部分进入第二光学陷阱(14)中。
5.根据权利要求1、2、3或4所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置,其特征在于,所述SBS介质池(4)中装满非线性材料。
6.根据权利要求5所述基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的装置,其特征在于,所述非线性材料为CS2、FC-72或FC-40。
7.利用权利要求1~6所述装置的基于受激布里渊散射提高激光近场均匀性的方法,其特征在于,所述方法具体包括:
激光脉冲从高功率激光源出射,经激光隔离器后入射到第一楔形镜,激光隔离器仅允许激光单方向通过,经第一楔形镜取样的部分反射光进入入射光监测系统,实时监测入射光的各项参数;从第一楔形镜透射的激光脉冲进入SBS介质池中;激光脉冲经SBS介质池中随机分布的热噪声散射形成自发布里渊散射,散射光沿与激光脉冲相反的方向传输,并与激光脉冲相互干涉,形成声子场,激光脉冲经声子场散射使光成分增强,增强的光与激光脉冲相互干涉,使声子场进一步增加,这样反复作用最终形成受激布里渊散射;SBS介质池中形成的反射光经第一楔形镜取样后进入反射光监测系统;SBS介质池的透射光为近场匀化后的激光,经第二楔形镜取样的部分进入出射光监测系统,其余光经第二楔形镜透射后输出。
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