CN110233418B - 一种可调脉宽短脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种可调脉宽短脉冲激光器。在介质池长度固定不变的前提条件下，使用焦距较短的聚焦透镜压缩，压缩效率较高，但是其稳定性较差，压缩效果不是很好；而使用焦距较长的聚焦透镜，所得实验现象恰恰与短聚焦镜时相反。本申请提供了一种可调脉宽短脉冲激光器，包括依次排列的第一光压缩部和第二光压缩部；所述第一压缩部包括泵浦源激光器、半波片、第一反射镜、受激布里渊散射产生池、第一变焦透镜、第一1/4波片和第一检偏器；所述第二压缩部包括依次排列的行波放大器、第二检偏器、第二1/4波片、第二变焦透镜和受激布里渊散射放大池，所述第一检偏器与所述行波放大器依次排列。结构简单、成本低廉、操作快捷方便。
Description
技术领域
本申请属于短脉冲激光技术领域，特别是涉及一种可调脉宽短脉冲激光器。
背景技术
常见受激布里渊散射(SBS)脉宽压缩结构包括聚焦单池结构和紧凑双池结构两种，相比于单池结构，双池结构的优点在于能够在产生池中产生更稳定的Stokes种子光，并将其汇入到放大池中，大大提高了在液体介质中非线性效应的稳定性，最终得到的出射光脉宽更窄，能量更高，输出更稳定。但是基于这种传统SBS压缩结构，所获得脉冲脉宽变化幅度不大，无法实现有效的脉宽调制。因此利用这种压缩方法所得到的压缩光的脉宽可调性能较差，应用领域单一受限，无法完全满足脉宽范围在纳秒-亚纳秒之间的短脉冲激光器的需求。
在传统的SBS压缩脉宽实验中，为了使出射光具有不同的脉宽，采用的相关方法大致有以下几种：一是从液体介质的种类入手，开发合适的新型SBS液体介质，或者选用混合介质，利用不同介质引发的受激布里渊散射对入射光线压缩程度不同，实现多种脉宽的输出；但此方法过于依赖液体介质，介质需要时常更新，大大增加了生产成本。二是从SBS介质温度入手，通过温度的调控实现SBS介质增益系数和声子寿命的改变，进而在一定程度上影响了SBS效应的强弱，达到压缩脉宽的调控目的。但此方法需要对液体介质配备恒温装置，大大提高了装置的复杂性，无法在市面上大规模应用。针对液体介质引发的布里渊散射而言，光与液体介质产生的非线性效应的强弱是压缩后输出光脉宽的重要影响因素，控制非线性效应的强弱，就可以调节入射光线脉宽被压缩的程度，进而在这种短脉冲激光器中实现大范围的脉宽调节。
在现有利用普通聚焦透镜的SBS压缩结构中，对于聚焦透镜焦距对脉宽压缩效果的研究也有报道，在介质池长度固定不变的前提条件下，使用焦距较短的聚焦透镜压缩，能获得脉宽相对更窄的脉冲，压缩效率较高，但是其稳定性较差，压缩效果不是很好；而使用焦距较长的聚焦透镜，所得实验现象恰恰与短聚焦镜时相反，获得压缩光脉宽较大，稳定性较高，压缩效果较好，但是其压缩效率较低。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于在现有利用普通聚焦透镜的SBS压缩结构中，对于聚焦透镜焦距对脉宽压缩效果的研究也有报道，在介质池长度固定不变的前提条件下，使用焦距较短的聚焦透镜压缩，能获得脉宽相对更窄的脉冲，压缩效率较高，但是其稳定性较差，压缩效果不是很好；而使用焦距较长的聚焦透镜，所得实验现象恰恰与短聚焦镜时相反，获得压缩光脉宽较大，稳定性较高，压缩效果较好，但是其压缩效率较低的问题，本申请提供了一种可调脉宽短脉冲激光器。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种可调脉宽短脉冲激光器，包括依次排列的第一光压缩部和第二光压缩部；
所述第一压缩部包括并排设置的第一激光转换单元和第二激光转换单元，所述第一激光转换单元包括依次排列的泵浦源激光器、半波片和第一反射镜，所述第一反射镜倾斜设置，所述第二激光转换单元包括依次排列的受激布里渊散射产生池、第一变焦透镜、第一1/4波片和第一检偏器，所述第一检偏器倾斜设置，所述第一检偏器与所述第一反射镜对应设置；
所述第二压缩部包括依次排列的行波放大器、第二检偏器、第二1/4波片、第二变焦透镜和受激布里渊散射放大池，所述第一检偏器与所述行波放大器依次排列。
可选地，所述第一反射镜设置于所述第一检偏器下方。
可选地，所述第一变焦透镜为液体变焦透镜，所述第二变焦透镜为液体变焦透镜。
可选地，所述液体变焦透镜包括透明窗口，所述透明窗口两端设置有金属电极，所述金属电极上涂覆有绝缘层，所述液体变焦透镜内设置有电解质液。
可选地，所述受激布里渊散射产生池两端为光学玻璃窗口，所述受激布里渊散射放大池两端为光学玻璃窗口。
可选地，所述第一1/4波片与激光出射轴线呈45°夹角，所述第二1/4波片与激光出射轴线呈45°夹角。
可选地，还包括激光检测部，所述激光检测部包括依次排列的第二反射镜和示波器，所述第二反射镜与所述第二检偏器对应设置。
可选地，所述第一检偏器使得透射光和反射光呈90°夹角，所述第二检偏器使得透射光和反射光呈90°夹角。
可选地，所述第一反射镜为平面反射镜，所述第一反射镜使得入射光与反射光呈90°夹角，所述第二反射镜为平面反射镜，所述第二反射镜使得入射光与反射光呈90°夹角。
可选地，所述示波器对出射光信号的脉冲宽度和频率进行检测。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的可调脉宽短脉冲激光器的有益效果在于：
本申请提供的可调脉宽短脉冲激光器，提出了SBS变焦双池结构，通过在产生池和放大池之间增加了行波放大器以增强其非线性效应。同时，在每一个SBS介质池前端(包括产生池和放大池)采用变焦透镜来代替传统的聚焦透镜。通过调节会聚透镜焦距的大小，使光线汇聚到介质池内不同位置，控制入射到介质池光线的缩束程度和入射到产生池中泵浦脉冲能量密度的增大程度，改变入射泵浦光功率密度以及斯托克斯种子光与泵浦光相互作用距离，实现压缩脉宽范围可调的目的。最终实现脉宽可跨量级且相对稳定的短脉冲输出。相比于传统技术与结构，变焦双池系统脉宽调节范围更宽，能实现纳秒-亚纳秒之间跨量级调节，在满足了应用领域需求的同时，所设计的装置结构简单、成本低廉、操作快捷方便；满足大规模生产需要。
附图说明
图1是本申请的可调脉宽短脉冲激光器的平面结构示意图；
图2是本申请的可调脉宽短脉冲激光器的三维立体结构示意图；
图3是本申请的液体变焦透镜内部结构剖面图；
图中：1-泵浦源激光器、2-半波片、3-第一反射镜、4-受激布里渊散射产生池、5-第一变焦透镜、6-第一1/4波片、7-第一检偏器、8-行波放大器、9-第二检偏器、10-第二1/4波片、11-第二变焦透镜、12-受激布里渊散射放大池、13-第二反射镜、14-示波器、51-透明窗口、52-金属电极。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
短脉冲激光是指脉宽在纳秒和亚纳秒(百皮秒)之间的脉冲激光，由于其具有窄脉宽、高能量、良好的稳定性等特点，在芯片制造、生物光子学、激光雷达、激光医疗等领域都有着广泛的应用。高质量短脉冲激光的获取技术成为近些年研究热点。常用的制作短脉冲激光器技术包括锁模、脉冲削波、SBS压缩、调Q技术等。其中调Q又可分为电光调Q和声光调Q。这些技术优缺点如下表所示：
由上表可知，对比其他技术而言，SBS(受激布里渊散射)压缩虽然对泵浦光功率有一定要求(达到SBS阈值)，但由于SRS效应不但具有良好的方向性、脉冲压缩特性，还具有装置简单、易操作、成本低、不依赖外部环境等优点，使得受激布里渊散射成为了获得高能量窄脉冲的一种重要技术手段，且这种压缩脉宽技术被广泛应用在制作短脉冲激光器中，具有良好的发展前景。
泵浦(英文名称：pumping)是指给激光工作物质提供能量使其形成粒子数反转的过程。
受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering)也称声子散射，phononscattering。受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。可以利用受激布里渊散射研究材料的声学特性和弹性力学特性。
参见图1～3，本申请提供一种可调脉宽短脉冲激光器，包括依次排列的第一光压缩部和第二光压缩部；
所述第一压缩部包括并排设置的第一激光转换单元和第二激光转换单元，所述第一激光转换单元包括依次排列的泵浦源激光器1、半波片2和第一反射镜3，所述第一反射镜3倾斜设置，所述第二激光转换单元包括依次排列的受激布里渊散射产生池4、第一变焦透镜5、第一1/4波片6和第一检偏器7，所述第一检偏器7倾斜设置，所述第一检偏器7与所述第一反射镜3对应设置；
所述第二压缩部包括依次排列的行波放大器8、第二检偏器9、第二1/4波片10、第二变焦透镜11和受激布里渊散射放大池12，所述第一检偏器7与所述行波放大器8依次排列。
各元件应该按照原理图依次放置，并将各个光学元件轴心处于同一水平线上，与激光器出射激光光轴对齐。
由泵浦源激光器发出1的单脉冲P偏振光首先通过半波片2变成S偏振光，并由平面反射镜调整光路使其通过第一检偏器7后经第一1/4波片6后变成圆偏振光，其中第一检偏器7和第一1/4波片6组成隔离器，防止后向散射的Stokes损坏光学器件。泵浦脉冲经由第一变焦透镜5汇聚进入产生池中生成小种子脉冲，背向传播的Stokes种子光和泵浦光相交于受激布里渊散射产生池4吸收能量，并得到有效的放大，经过第一1/4波片6后由圆偏振光转换成P偏振光，该光束就是第一次压缩所得到的种子光，将它经由行波放大器8进行能量放大后，当作第二次SBS脉宽压缩的泵浦源。所得种子光经过第二检偏器9，P偏振光经第二1/4波片10后变成圆偏振光，经过第二变焦透镜11进行聚焦收束后进入SBS放大池12中，经由受激布里渊散射放大池12产生的种子光背向传播经过第二1/4波片10后变为S偏振光。
变焦透镜的焦距调节范围，能够使光线汇聚到介质池内部任意位置，控制入射到介质池光线的缩束程度和入射到产生池中泵浦脉冲能量密度的增大程度，以及种子光在产生池中的有效工作长度，实现压缩脉宽范围可调的目的。最终实现脉宽可跨纳秒、皮秒量级且相对稳定的短脉冲输出。该装置具有易操作、成本低廉、实用性强等优点。
泵浦源激光器1为Nd:YAG脉冲固体激光器，采用加压式电光调Q，输出波长1064nm，脉冲宽度8ns，单脉冲能量200mJ的P偏振光，出射光束直径ф7mm，发散角为3mrad。
半波片2为云母片，并对出射的偏振激光进行旋转调节。将激光器射出的s偏振光变成P偏振光。
检偏器放置角度应该使透射光和反射光呈90°夹角，并与1/4波片组成隔离器，防止后向散射的斯托克斯光射入到泵浦源激光其中。
1/4波片应该与激光出射轴线呈45°夹角，让通过检偏器入射的P偏振光变成圆偏振光，经过散射后所得的圆偏振光变成S偏振光。
SBS介质池，包括产生池和放大池，所用材料为石英玻璃，两端为光学玻璃窗口，其产生池长度为60mm，放大池长度为80mm，内径均为25mm。其池内充满SBS氟碳类液体介质(如FC-40、FC-70、FC-770等)。
行波放大器8，由泵源半导体bar条叠阵，柱面透镜和Nd:YAG晶体棒组成，三者组成简易聚焦腔，其中Nd:YAG晶体棒半径为2.5mm，长度为30mm。半导体bar条之间间距0.5mm，轴向发散角为45°。
进一步地，所述第一反射镜3设置于所述第一检偏器7下方。
进一步地，所述第一变焦透镜5为液体变焦透镜，所述第二变焦透镜11为液体变焦透镜。
变焦透镜为液体变焦透镜，应放置于对应的SBS介质池前端，其焦距调节范围应能够使入射光线汇聚到对应SBS介质池任意位置，以便更好的观察和控制其非线性效应强度。通过使用相互之间涂有绝缘材料的两个金属电极52对其内部容器内两种互不相溶的液体施加电压。外加电压不同，两种液体及液体与器壁之间达到稳态所需的表面张力就不同，通过调整外加电压来改变液体交界面的曲率，并进而改变液体透镜的焦距。
进一步地，所述液体变焦透镜包括透明窗口51，所述透明窗口51两端设置有金属电极52，所述金属电极52上涂覆有绝缘层，所述液体变焦透镜内设置有电解质液。
进一步地，所述受激布里渊散射产生池4两端为光学玻璃窗口，所述受激布里渊散射放大池12两端为光学玻璃窗口。
进一步地，所述第一1/4波片6与激光出射轴线呈45°夹角，所述第二1/4波片10与激光出射轴线呈45°夹角。
进一步地，还包括激光检测部，所述激光检测部包括依次排列的第二反射镜13和示波器14，所述第二反射镜13与所述第二检偏器9对应设置。
如图1所示，第二反射镜13设置在第二检偏器9上方。
将通过第二检偏器7所得到的s光再次通过全反镜反射即第二反射镜13，最终由示波器14对出射光线进行检测。
进一步地，所述第一检偏器7使得透射光和反射光呈90°夹角，所述第二检偏器9使得透射光和反射光呈90°夹角。
进一步地，所述第一反射镜3为平面反射镜，所述第一反射镜3使得入射光与反射光呈90°夹角，所述第二反射镜13为平面反射镜，所述第二反射镜13使得入射光与反射光呈90°夹角。
平面反射镜放置角度应该使入射光与反射光呈90°夹角，平面反射镜采用K9玻璃制造，平面反射镜尺寸为ф40mm，所述平面反射镜反射面镀全反射膜HR@1064nm。
进一步地，所述示波器14对出射光信号的脉冲宽度和频率进行检测。
实施例：
参见图1，用Nd:YAG脉冲固体激光器输出波长1064nm，能量100mJ，脉冲宽度8ns，出射光束直径ф7mm，发散角为3mrad的p偏振光作为泵浦源，在SBS液体池(包括产生池和放大池)中注满对1064nm光高透的SBS液体介质FC-40。调节对应介质池前端的变焦透镜焦距，并同时利用示波器14对出射光的脉冲宽度予以检测。
调节变焦透镜焦距，并观察其对出射光脉冲宽度的影响。随着介质池前变焦透镜焦距的增大，观察到输出光脉冲宽度也随之变化，在焦距200mm左右时，光线缩束程度非常大，泵浦能量密度较高，这种情况下容易产生光学击穿现象，引发其他非线性竞争，从而SBS效应变得不稳定。而随着焦距的继续增大，对光线汇聚作用减弱，虽然增加了泵浦光与stokes光的相互作用长度，但由于泵浦光功率密度下降，非线性效应的强度还是会减弱，观察到脉冲宽度逐渐增加，相应稳定性也逐渐提高，而焦距增加到800mm左右时，此时透镜已经无法将泵浦光汇聚入介质池中，此时几乎没用发生SBS效应，对应检测光脉宽与初始光脉宽几乎相差不大。
综上可以发现，在介质池池长固定，出射光功率不变的条件下，为了保证SBS效应最大化透镜焦距存在一个最佳值，在焦距达到最佳值之前，存在其他非线性效应会影响SBS压缩效果，在焦距大于最佳值之后，由于入射光缩束程度减弱功率密度下降，SBS效应减弱，脉冲宽度逐渐增加。调节变焦透镜焦距，控制入射到介质池光线的缩束程度和入射到介质池中泵浦脉冲能量密度的增大程度，改变泵浦光功率密度和斯托克斯种子光与泵浦光相互作用距离，出射光脉冲宽度会随之发生变化。实现脉宽可调目的。
观察到对于产生池焦距在400mm左右、放大池焦距在600mm左右时SBS效果最好，此时脉宽可被压缩至500ps左右，而若产生池焦距达到最佳值，放大池焦距800mm左右时测得出射光脉宽1.35ns。随着产生池和放大池之间焦距的配合调节，可获得在纳秒-亚纳秒范围内不同脉冲宽度的出射光。
本申请提供的可调脉宽短脉冲激光器，提出了SBS变焦双池结构，通过在产生池和放大池之间增加了行波放大器以增强其非线性效应。同时，在每一个SBS介质池前端(包括产生池和放大池)采用变焦透镜来代替传统的聚焦透镜。通过调节会聚透镜焦距的大小，使光线汇聚到介质池内不同位置，控制入射到介质池光线的缩束程度和入射到产生池中泵浦脉冲能量密度的增大程度，改变入射泵浦光功率密度以及斯托克斯种子光与泵浦光相互作用距离，实现压缩脉宽范围可调的目的。最终实现脉宽可跨量级且相对稳定的短脉冲输出。相比于传统技术与结构，变焦双池系统脉宽调节范围更宽，能实现纳秒-亚纳秒之间跨量级调节，在满足了应用领域需求的同时，所设计的装置结构简单、成本低廉、操作快捷方便；满足大规模生产需要。
使用变焦透镜，恰恰能实现长短焦距透镜的优缺点互补，通过对产生池与放大池前端会聚透镜的焦距调整，使得输出光脉宽不局限于一个小范围，而是能够在整个纳秒与亚纳秒区间之间任意移动，且其稳定性也能够随着焦距的调节从而得到保证。在每一个SBS介质池前端(包括产生池和放大池)采用变焦透镜来代替传统的聚焦透镜。通过调节会聚透镜焦距的大小，改变入射光泵浦入介质池的功率密度，控制其非线性效应强度，从而实现压缩脉宽范围可调的目的。在提高了光脉冲散射效率以及输出激光的脉宽压缩效率的同时，实现脉宽可跨量级且相对稳定的短脉冲输出。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的或范围所包含的全部修改。
Claims (10)
1.一种可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：包括依次排列的第一光压缩部和第二光压缩部；
所述第一光压缩部包括并排设置的第一激光转换单元和第二激光转换单元，所述第一激光转换单元包括依次排列的泵浦源激光器(1)、半波片(2)和第一反射镜(3)，所述第一反射镜(3)倾斜设置，所述第二激光转换单元包括依次排列的受激布里渊散射产生池(4)、第一变焦透镜(5)、第一1/4波片(6)和第一检偏器(7)，所述第一检偏器(7)倾斜设置，所述第一检偏器(7)与所述第一反射镜(3)对应设置；
所述第二光压缩部包括依次排列的行波放大器(8)、第二检偏器(9)、第二1/4波片(10)、第二变焦透镜(11)和受激布里渊散射放大池(12)，所述第一检偏器(7)与所述行波放大器(8)依次排列。
2.如权利要求1所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：所述第一反射镜(3)设置于所述第一检偏器(7)下方。
3.如权利要求1所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：所述第一变焦透镜(5)为液体变焦透镜，所述第二变焦透镜(11)为液体变焦透镜。
4.如权利要求3所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：所述液体变焦透镜包括透明窗口(51)，所述透明窗口(51)两端设置有金属电极(52)，所述金属电极(52)上涂覆有绝缘层，所述液体变焦透镜内设置有电解质液。
5.如权利要求1所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：所述受激布里渊散射产生池(4)两端为光学玻璃窗口，所述受激布里渊散射放大池(12)两端为光学玻璃窗口。
6.如权利要求5所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：所述第一1/4波片(6)与激光出射轴线呈45°夹角，所述第二1/4波片(10)与激光出射轴线呈45°夹角。
7.如权利要求1～6中任一项所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：还包括激光检测部，所述激光检测部包括依次排列的第二反射镜(13)和示波器(14)，所述第二反射镜(13)与所述第二检偏器(9)对应设置。
8.如权利要求7所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：所述第一检偏器(7)使得透射光和反射光呈90°夹角，所述第二检偏器(9)使得透射光和反射光呈90°夹角。
9.如权利要求7所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：所述第一反射镜(3)为平面反射镜，所述第一反射镜(3)使得入射光与反射光呈90°夹角，所述第二反射镜(13)为平面反射镜，所述第二反射镜(13)使得入射光与反射光呈90°夹角。
10.如权利要求7所述的可调脉宽短脉冲激光器，其特征在于：所述示波器(14)对出射光信号的脉冲宽度和频率进行检测。
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