CN1310806A - 利用受激布里的渊散射相位共轭反射镜的光隔离器及其光放大系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光隔离器及其光放大系统,使用了具有非线性反射率的受激布里渊散射相位共轭反射镜;而且将其以两侧相对称的方式设置在一个十字型的光学系统中。因而使得这种结构的装置对偏离光学系统的基准变得不敏感。如果将这种光放大系统应用于激光放大系统中,那么在具有相同重复频率的基础上,可将使输出能量增大到所希望的数值。
Description
本发明涉及光学器件技术领域，特别是一种利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光隔离器和用光隔离器来构成光放大系统。
当激光器与某些装置一同使用时，假如从某些装置引起逆向反射光并返回到激光器上，那么将会产生干扰激光器的问题。尤其对脉冲激光器而言，有时逆向反射光竟被意外地放大，损伤了光学零部件。为了防止发生这种现象，就得使用光隔离器。
传统的光隔离器有两种。一种是利用1/4波片(以下用QW表示)，或者利用法拉弟偏振旋光器件(以下用FR表示)构成的被动式光隔离器；还有一种是利用坡克尔盒(以下用PC表示)的能动式光隔离器。然而，传统的光隔离器由于其偏光器件隔断一个与其相垂直的偏振光成份的隔断率不大，所以隔断光线也不够彻底。例如，非线性晶体偏光器件的隔断率一般为1000，而多层薄膜偏光器件的隔断率一般为100左右。也就是说，传统的光隔离器隔断率为100-1000左右。如果是这样的一个数值范围，那么当逆向反射光在激光器内被放大或者与下一级的放大系统相耦合，那么将会对激光器造成严重的伤害。
下面用附图来说明传统光隔离器的工作基理及其存在的问题；
图1a是传统的被动式光隔离器的结构图，这种被动式光隔离器(100)是由偏振光分离器(110，以下用PBS来表示)和偏振光变换器(120)组成。PBS(110)起着分离偏振光的作用。即，它将让水平偏振光透过而让垂直偏振光反射。另外，作为偏振光变换器(120)，使用一种能让相位延迟1/4波长的QW，或者使用让偏振面旋转45度的FR。即当光线通过QW一次时，直线偏振光将变为园偏振光，或者园偏振光将变为直线偏振光。于是当光线往返QW，那么光的偏振面将发生正交变换。当光线往返一种让光的偏振面旋转45度的FR时，同样，偏振面将发生正交变换。为了解这种被动式光隔离器(100)的工作基理，如在图1a所示，先假设有一个水平偏振的脉冲入射光(105)，通过一个PBS(110)，那么穿过PBS(110)的光线将通过偏振变换器(120)变为一个园偏振光，或者变为一个偏振面旋转了45度的线偏振光。然后，当该光线逆向反射而再次通过偏振变换器(120)，那么该光线的偏振面将变成一个与水平偏振光正交的垂直偏振光，并在PBS(110)上变为反射光(130)而射出。由此可得到一种光的隔离效果。
图1b是传统的能动式光隔离器的结构图，这种能动式光隔离器(150)是由二个PBS(160,165)和一个PC(170)组成。第一个PBS(160)将让水平偏振光通过去；而第二个PBS(165)则让垂直偏振光通过。若向PC(170)外加一定时间的高电压，那么它在这一期间，可将偏振面旋转一个直角。为掌握这一能动式光隔离器(150)的作用过程，如在图1b中所示，先假设有一个水平偏振的脉冲光线(145)先入射第一PBS(160)。当通过第一PBS(160)的水平偏振光(145)入射到PC(170)时，向PC(170)外加一个高电压，其时间长短相当于入射光的脉宽。那么这个水平偏振光通过PC(170)时将变成垂直偏振光，因此它可直接通过第二个PBS(165)。然后，假如这一垂直偏振光在某处逆向反射回来，那么这时在PC(170)上已经无高电压了，所以垂直偏振的光线就无法通过第一PBS(160)而将被其反射。由此也可将得到一种光隔离的效果。
然而，形成光隔离器的元器件PBS,PC或者QW,FR等等，一般都有一定的缺陷。例如，就PBS而言，其水平与垂直偏振光的分离率只有数十至数百；而对PC、QW或FR而言，其偏振面的旋转也不够完全。总之，它们的隔断率就不够完善。通过这种不够完善的光隔离器而逆向反射的光线，如果它返回到入射端，那么相邻的放大系统之间将产生耦合放大作用，这就有可能引起光学系统的损伤或者导致激光器输出模式不稳定等非常严重的问题。
杰克尔等人曾对一个利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光隔离器(以下用SBS-PCM)提出过方案。但是，该结构的SBS-PCM反射率仍达不到100％，因而仍然存在一个不能完全隔断光线从放大器返回到激光器的问题。尤其是为制造出一个高输出的激光放大系统，需要有一个隔断率非常彻底的光隔离器。
本发明人曾在美国专利第5,832,020号中，曾对具有高重复频率及高输出的固体激光器进行过阐述。固体激光器的重复频率将依赖于冷却速度。在传统技术中，若需求的输出愈大，那么放大系统中使用的激光棒直径也得愈大，与此同时出现了一个重复频率减小的缺点。在美国专利第5,832,020号中提出的方法虽然解决了这个问题，但是从激光器的结构来说也好，如果所用的波片或PBS等器件不够完善的话，由于不能完全隔断从后方返回的光线，因而仍旧存在着由放大的光线危害光学系统的担忧。
本发明的目的是提供一种隔离器，它能有效的隔断光线的效果，防止光学系统遭受损伤。
本发明的另一目的是提供一种光放大系统，它能在不损伤激光器等的光学系统的基础上，还能去增大输出。
本发明是这样实现的，利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光隔离器包括对入射的偏振光，让其反射或透过的一种偏振光分离器；在偏振光分离器中当反射或透过的光线往返通过自身内部时，使通过前的偏振光与通过后的偏振光相互正交的一种偏振光变换手段；以及设有受激布里渊散射相位共轭反射镜。
利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统包括对入射的偏振光让其一部分反射，而让其余部分透过的一种偏振光分离器；在偏振光分离器中，当反射光线往返通过自身内部时，使通过前的偏振光与通过后的偏振光相互正交的一种偏振光变换手段；以及装有第一受激布里渊散射相位共轭反射镜的受激布里渊散射光隔离器；其中相位共轭反射镜是用来反射经由第一偏振光变换手段中出射的光线的；经第一偏振光变换手段并透过上述偏振光分离器的光线，当其往返通过自身时能使其放大的一种放大手段；上述被放大的光线往返通过自身内部时，能使其通过前的偏振光与通过后的偏振光相互正交的第二偏振光变换手段，以及装有第二受激布里渊散射相位共轭反射镜的受激布里渊散射光放大器；其中，相位共轭反射镜用来反射经由上述第二偏振光变换手段的光线的；而且光放大系统至少由二个以上的光放大段组成，每个光放大段装有受激布里渊散射光放大器；光放大段将以连锁型相互配置起来，即光放大段中，由前级放大段出射的光线，要入射到后一级光放大段中的偏振光分离器上。
为解决上述发明目的而提出的光隔离器，由偏振光的光隔离器和偏振光的变换手段构成。尽管它们同传统技术相同，但是，它的特点在于为了去反射穿过偏振光变换手段的光线，采用一种受激布里渊散射相位共轭反射镜装置。这时，作为偏振光的变换手段，可以使用能延迟相位达1/4波长的1/4波片，或者使用能旋转45度偏振面的法拉第旋光器件。
为了解决另一发明目的而提出的本发明的光放大系统，至少要由二个以上的光放大段构成；而且各个光放大段都含有本发明的光隔离器。即，在各个光放大段均设有光隔离器和光放大器。光隔离器中内装的偏振光分离器上将分离出两束光。其中一束光为透过光；另一束光经光隔离器被放大，再经偏振变换之后，通过偏振光分离器反射，并与透过光合流。各个放大段要按连锁型配置，使得从前级放大段出射的光线，要入射到后级放大段中的偏振光分离器上。为使经由光隔离器的光线得到反射，使用受激布里渊散射相位共轭反射镜；为变换偏振光，还要使用1/4波片或者旋光45度的法拉第旋光器件。
另外，若在上述光放大段的设在最前级的偏振光分离器上，射入一个从激光器谐振腔出射的激光束，那么将形成一个激光放大系统，由此可以得到很大的输出。在这样的激光放大系统中，最好设置一个扩束装置，以便增大在相邻放大段之间传输的光线尺寸。
这时，根据激光器是属棒型还是属扁平型来可以组成一个与其相应的放大系统。还可根据情况，用光隔离器和光放大器形成一种列阵型；而且为了向各个列阵传送光线，在光路中还可以设置楔形光分离器。
本发明的光隔离器的优点是可有效的防止因逆向反射光导致的对光学系统的损伤；若利用本发明的光放大系统，那么在维持相同重复频率的基础上可将输出能量增大到所愿望的数值；与此同时，由于光学系统对偏离基准不敏感，因此使用方便。
以下结合附图对本发明做进一步的描述；
图1a是根据传统技术形成的被动型光隔离器结构图。
图1b是根据传统技术形成的能动型光隔离器结构图。
图2是表示受激布里渊散射相位共轭反射镜的反射率曲线。
图3a及3b是本发明实例的光隔离器结构图。
图4是本发明实例的光放大系统的结构图。
图5是本发明光放大系统应用于棒型激光装置上的一例。
图6是本发明的光放大系统应用于扁平型激光装置上的一例。
图7a-7c是用来说明一个光学系统，当偏离基准时，其敏感度的变化情况。
图8a-8c是在本发明光放大系统的光放大段中，设有温度补偿手段的情形。该补偿器用来补偿由温度引起激光工作物质的双折射现象的。
如图1--8所示，首先，当脉冲激光入射到一个设在本发明的光隔离器及光放大系统中的SBS-PCM时，正如图2中所示，反射率随入射能量的变化显示出非线性关系。在图2,SBS-PCM的非线性反射率曲线中由o突然开始增加的入射能量临界值将定义为Ith；反射率变为90％的入射光能定义为I0.9。
图3a及3b是本发明实例的光隔离器结构图；由图3a可知，光隔离器(300)是由PBS(310)、QW(320)及SBS-PCM(340)来构成的。当从激光谐振腔(未图示)出射的光线(305)的能量大于在图2示出的Ith值，而且假设是一个垂直偏振光，那么它在偏振光分离器PBS(310)上将被反射，并通过QW(320)入射到SBS-PCM(340)。这时，当入射到SBS-PCM(340)的光能大于Ith时，SBS-PCM(340)的反射率将不为零，因而要被反射。尤其是当入射光能大于I0.9时，SBS-PCM(340)的反射率将大于90％，具有如同普通镜面一样的反射率。一般说来，被SBS-PCM射出来的光线是一种相位共轭的光波，跟入射光具有相位共轭的关系。这意味着，光线的相位若被光学系统导致畸变，那么它将能得到补偿。另外，相位共轭的光波具有一种遵随原入射光路返回的特性。
不仅如此，如在图2所示，SBS-PCM反射率具有非线性关系，所以它还有一种空间频率的滤波效应。即，光强弱的空间频率成分被SBS-PCM反射的反射率要小；而光强大的空间频率成分被SBS-PCM反射的反射率要大。因此，光强大的空间频率成份将能得到更大的放大。这表明它具有空间频率的滤波功能。另外由SBS-PCM反射的光的质量也将远远优于一般镜面的反射光。
具有上述性质的被SBS-PCM(340)反射的光线，当其重新通过QW(320)时，它就变换成一个与入射光线正交的偏振光，即以水平偏振的光的形态来透过PBS(310)。另外，透过PBS(310)的输出光线若被下一级光学系统逆向反射回来，那么这一光线(Iback)的大部分将被PBS(310)反射掉；而透过PBS(310)的光线(Ieeak)将重新入射到SBS-PCM(340)。但是，这一光线很微弱，它将小于SBS-PCM的反射临界值Ith。因此返回到激光谐振腔的光线将被完全隔断。
如图3b所示，透过PBS(360)的光线若为水平偏振的光线(345)，那么经由QW(370)和SBS-PCM(390)而返回来的光线将在PBS(360)被反射。它将显示出和如图3a完全相同的结果。
图4是本发明实例的光放大系统结构图。它示出在一般的多级放大系统中能适用于SBS-PCM光隔离器的结构状况。由图4可知，光放大系统是由多数个光放大段(400,450,……)形成的，下面将以第一光放大段(400)为主来说明光放大系统的工作基理。当垂直偏振的激光脉冲光线(395)入射到设在第一光隔离器(410)中的PBSI(412)时，将被PBSI(412)反射，并通过QW1(414)变成园偏振光。该园偏振光将被SBS-PCM(416)反射，然后再次通过QW(414)，并变成一个水平偏振光，因此它就可以直接通过PBBSI(412)了。这个光线将在通过设在第一SBS光放大器(420)中的多重穿梭放大装置1(422)时将要被放大，然后通过QW2(424)，并在SBS-PCM2(426)反射。该光线接着再次通过QW2(424)时，它将变为垂直偏光。在这里QW2(424)可以用一个将偏振面旋转45度角的法拉第旋光器件来替代。当光线再次通过多重穿梭放大装置1(422)时，它将再次得到放大，然后在PBS1(412)反射，并又入射到一个设在第二放大段(450)的第二光隔离器(460)中的PBS2(460)。第二放大段(450)具有跟第一放大段(400)完全相同的结构要素。即由第二光隔离器(460)和第二SBS光放大器(470)组成。总之，各个光放大段(400,450,……)都具有相同的结构，而且被编成一种连锁型，使从前级出射的光线入射到下一级放大段的PBS上。如果以这种方法形成一个光放大系统，那么不但激光得到放大，还能去解决由逆向反射而引起的对激光装置造成伤害的问题。
图5是将本发明的光放大系统应用于棒型激光器时的一例。由图5可知，从激光器(500)发射的光线(505)当经由第一放大段(510)时，被第一SBS光放大器(530)放大；而逆向返回的光线则被第一光隔离器(520)隔断。在各个光放大段中，与图4的光放大系统不同的地方是在SBS-PCM的前面设有一个透镜，以便用来调整光线的焦点。再一个不同的地方是在第二放大段(540)中，将第二SBS光放大器(560)编成2×2的列阵状态；并且使用一种楔形光分配器(562)，以便向各个列阵传送光线。在第三光放大段中，将第三SBS光放大器(590)编成4×4的列阵，而将第三光隔离器(580)编成2×2的列阵型。在这里使用了楔形光分配器(582,592)，以向各个列阵传送光线。另外，为了调整各个光放大段(510,540,570,……)之间的光线尺寸，设有扩束装置(535,565,……)。若以这种方式去形成激光放大系统，那么将根据需要可以不断地增添放大段。因此在不使光学系统受损的条件下不但可以扩充输出能量，还能继续维持相同的重复频率。
图6是将本发明的光放大系统应用于扁平型激光器上的一例。若跟图5相比较，那么它的差别在于为适合扁平型激光器，分别把第二SBS光放大器(660)编成2×1列阵型；再把第三SBS光放大器(690)编成4×1列阵型；又把第三光隔离器(680)编成2×1型来组成一个光学放大系统。
为了表达本发明的光学系统对装配基准的偏离不敏感的优点，在图7a至7c中示出了各种光学系统的偏差敏感度。在图a至图7c中，相同的结构要素将使用相同的参考符号来标示。当将二个SBS-PCM以对称方式配置使用时，本发明的光放大系统对偏离基准的敏感度情况如图7a所示。在这种结构中，从激光器(700)射出的光线，以偏离基准Δθ角入射到PBS(710)时，从经由位于两侧的SBS-PCM(720)出射的光线，其位置与方向始终跟入射光的方向一致。
图7b示出在光学系统中SBS-PCM只用在一侧时，偏离基准对敏感度的影响情况。在这里，当PBS(710)偏离基准Δθ时其输出光线将偏离角度Δφ(=2Δθ)。
图7c示出在两侧使用普通反射镜(722)时光学系统的偏离对敏感度的影响情况。这时，输出光线从基准位置将偏移δ距离。另外在本发明的光放大系统中，因温度引起的激光器工作物质棒的双折射，将可能成为一个问题。为此，可以组成一种如图8a至8c所示的光放大段来补偿双折射的影响。
图8a示出双通道光放大段。在放大段(800)中设有二个放大手段(820,822)，而在其间设有90度偏振旋光器件(830)。在放大段(800)的两端还设有45度法拉第旋光器件或者1/4波片(832)。从SBS-PCM(810)反射出来的光线，将再次入射到放大段(800)的一端。图8b示出四通道光放大段。在放大段(850)中，设有放大手段(870)，而在其两端分别设有PBS(890)和45度法拉第旋光器件或者1/4波片(880)。在PBS(890)上分离出来的光线将要分别在反射镜(892)和SBS-PCM(860)上反射。从放大段(870)出射的光线还将经由PC(882)。
图8c示出在光放大段中设置非线性双折射晶体器件的状况。让从SBS-PCM(896)反射出来的光的一部分先通过90度偏振旋光器件(834)，然后让它再与其余部分的光线一起来通过非线性双折射晶体器件(894)，然后再使它们依次经由放大手段(872)及45度偏振旋光器件或者1/4波片(832)。
另外，对从本发明的光放大系统所属的受激布里渊散射相位共轭反射镜反射出来的光线要进行锁相。所以最好要具备一个光平行化的手段。光平行化的手段可以利用Self-generated back seeding方法或声光锁相方法。
Claims (11)
1，一种利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光隔离器，其特征是包括对入射的偏振光，让其反射或透过的一种偏振光分离器；在偏振光分离器中当反射或透过的光线往返通过自身内部时，使通过前的偏振光与通过后的偏振光相互正交的一种偏振光变换手段；以及设有受激布里渊散射相位共轭反射镜。
2，根据权利要求1所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光隔离器，其特征在偏振光变换手段中，使用将光波的相位延迟1/4波长的1/4波片，或者将偏振面旋转45度的法拉第偏振光旋光器件。
3，一种利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，其特征是包括对入射的偏振光让其一部分反射，而让其余部分透过的一种偏振光分离器；在偏振光分离器中，当反射光线往返通过自身内部时，使通过前的偏振光与通过后的偏振光相互正交的一种偏振光变换手段；以及装有第一受激布里渊散射相位共轭反射镜的受激布里渊散射光隔离器；其中相位共轭反射镜是用来反射经由第一偏振光变换手段中出射的光线的；经第一偏振光变换手段并透过上述偏振光分离器的光线，当其往返通过自身时能使其放大的一种放大手段；上述被放大的光线往返通过自身内部时，能使其通过前的偏振光与通过后的偏振光相互正交的第二偏振光变换手段，以及装有第二受激布里渊散射相位共轭反射镜的受激布里渊散射光放大器；其中，相位共轭反射镜用来反射经由上述第二偏振光变换手段的光线的；而且光放大系统至少由二个以上的光放大段组成，每个光放大段装有受激布里渊散射光放大器；光放大段将以连锁型相互配置起来，即光放大段中，由前级放大段出射的光线，要入射到后一级光放大段中的偏振光分离器上。
4，根据权利要求3所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，其特征是第一及第二偏振光变换手段具有使光放大系统能将光的相位延迟1/4波长的1/4波片，或者使用能使偏振面旋转45度的法拉第偏振光旋光器件。
5，根据权利要求3所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，其特征是即从激光器出射的光线，能入射到装在该系统最前级的偏振光分离器上。
6，根据权利要求3和5所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，其特征是光放大系统设有一个扩束装置，用来扩大上述相邻光放大段之间的光线尺寸。
7，根据权利要求3和5所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，其特征是受激布里渊散射光放大器为棒型或者为扁平型。
8，根据权利要求3和5所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，其特征是在该系统的受激布里渊散射光隔离器和受激布里渊散射光放大器中，至少有一个形成一种列阵型，并且在光路中加设楔形光分离器，以便向各个列阵输送光线。
9，根据权利要求3和权利要求7所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，其特征是在光放大系统中增设一种补偿装置，用来补偿各个光放大段中因温度导致的双折射现象。
10，根据权利要求3和5所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，在光放大系统中增设一种使光线平行化的手段，即设置一个锁相装置，以便对各个受激布里渊散射相位共轭反射镜上反射的光线，进行锁相。
11，根据权利要求3和权利要求10所述的利用受激布里渊散射相位共轭反射镜的光放大系统，其特征是光放大系统作为光平行化的手段，利用Self-generated back seeding方法和声光锁相方法。
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