专利名称：一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压缩装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种获得无调制窄脉冲波形的装置，具体涉及双级受激布里
渊散射(SBS)压縮系统。
背景技术：
目前，受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering)是获得激光压縮脉 冲的一种重要手段，因具备频移小、自抽运、相位共轭等特点，其在许多领域 中都有着重要的应用潜力，如被压縮的SBS激光具有上升沿时间短的特点， 可以用于在光谱学中光泵研究介质材料的能级跃迁；输出的SBS激光为相位 共轭光，具有独特的实时修复激光波面畸变的能力，可实时的修复光学元件和 激光放大器的不均匀性、变形和热畸变等造成的波面畸变，获得近衍射限的均 匀优质的放大光束输出。
然而在实验中人们发现在利用SBS获得窄脉宽Stokes光的同时，输出 脉冲尾部经常会伴有强烈的调制现象，在波形上呈现出随机的多个子峰结构。 目前对调制现象的产生机理解释为在SBS阈值处，Stokes散射光功率迅速 上升，并超过抽运光功率，此时增益开始下降；增益的下降导致Stokes散射 光功率的下降，此时抽运光的能量又开始增加，并导致增益的增加；增益的增 加有导致Stokes散射光功率的提高，这样抽运光和Stokes散射光之间能量交 换过程中形成的弛豫震荡。调制现象的出现会导致SBS系统波形质量变差， 系统可靠性、稳定性降低，使其实际应用受到限制。虽然国际上对SBS脉冲 压縮的研究有很多，但主要侧重于增大压縮比或提高重复频率等方面，对波形 调制现象虽有文献报道，但并未给予很好的解决。因此，探索高质量输出脉冲 波形的方法具有重要意义。
发明内容
本发明为了克服现有技术中SBS脉冲压縮系统输出波形质量差、不稳定 并伴有调制现象的缺陷，而提供一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压縮装 置。
本发明包括激光源l、第一 1/2波片2、第一偏振片P1、第一 1/4波片4、第一级压縮系统5、全反镜R、第二 1/2波片7、第二偏振片P2、第二 1/4波 片9和第二级压縮系统10;激光源1输出端输出Pump激光脉冲到第一 1/2波 片2的输入端，第一 1/2波片2的输出端输出的激光到第一偏振片Pl输入端， 第一偏振片Pl输入输出端输出透射p态线偏振光到第一 1/4波片4的第一输 入输出端，第一 1/4波片4的第二输入输出端输出圆偏振光到第一级压缩系统 5的输入输出端，第一级压縮系统5的输入输出端输出返回的散射的圆偏振光 到第一 1/4波片4的第二输入输出端，第一 1/4波片4的第一输入输出端输出 返回的s态线偏振光到第一偏振片Pl的输入输出端；第一偏振片Pl输出端输 出的反射激光经全反镜R反射到第二 1/2波片7的输入端，其中第二 1/2波片 7、第二偏振片P2、第二 1/4波片9和第二级压縮系统10的光路与第一 1/2波 片2、第一偏振片P1、第一l/4波片4和第一级压縮系统5的光路连接相同， 第二偏振片P2的输出端为脉冲光输出端。
本发明是采用双级SBS压縮获得无调制窄脉冲波形的装置，使第一级与 第二级相互配合，利用第二级消除调制，获得高波形质量窄脉冲。它所采用的 技术方案是因SBS输出波形是由抽运光与Stokes光之间非线性耦合强度的 动态变化过程决定的，因此以"两次压縮，子峰能量主峰提取"为控制手段， 对Stokes光尾部的调制进行抑制，使最终输出光呈现出无调制的窄脉冲波形。
本发明具有以下优点1、保证了脉宽压縮比，在双级SBS系统中脉冲经 过两次压縮，输出脉冲的脉宽可以达到很窄。2、改善了输出脉冲的波形质量， 根据SBS脉冲压縮中抽运光与Stokes光之间非线性耦合强度的动态变化过程， 设计的双级SBS脉冲压縮系统能有效抑制输出脉冲调制现象，改善波形质量。 3、充分利用能量，本发明抑制调制的原理在于第二次压縮时使种子光充分抽 取尾部子峰能量，而不是抑制尾部子峰的作用，这样尾部子峰能量也能得到利 用，减少了能量的损失。
图1是本发明装置的结构示意图；图2是单池型压縮系统的结构示意图； 图3是双池型压縮系统的结构示意图；图4是本发明的第一级压縮系统为单池 型压縮系统的光路示意图；图5是本发明的第一级压縮系统为双池型压縮系统 的光路示意图；图6是本发明的抽运光波形图；图7是本发明的第一级输出光波形图；图8是本发明的第二级输出光波形图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式
由激光源1、第一 1/2波片2、第一偏振片Pl、第一 1/4波片4、第一级压縮 系统5、全反镜R、第二l/2波片7、第二偏振片P2、第二 1/4波片9和第二 级压縮系统10组成；
激光源1输出端输出Pump激光脉冲到第一 1/2波片2的输入端，第一 1/2 波片2的输出端输出的激光到第一偏振片Pl输入端，
所述的第一 1/2波片2和第一偏振片Pl组成能量调节系统，通过调节第 一 1/2波片2的角度与第一偏振片Pl的偏振方向，可实现透射光能量的连续 变化；
第一偏振片Pl输入输出端输出透射p态线偏振光到第一 1/4波片4的第 一输入输出端，第一 1/4波片4的第二输入输出端输出圆偏振光到第一级压縮 系统5的输入输出端，第一级压縮系统5的输入输出端输出返回的散射的圆偏 振光到第一 1/4波片4的第二输入输出端，第一 1/4波片4的第一输入输出端 输出返回的s态线偏振光到第一偏振片Pl的输入输出端；
第一偏振片Pl和第一 1/4波片4组成隔离系统，经第一偏振片Pl透射 输出的p态线偏振光经过第一 1/4波片4变为圆偏振光后，打入第一级压縮系 统5中发生SBS作用，散射的圆偏振光按原光路返回，经过第一 1/4波片4 后变成s态线偏振光，被第一偏振片Pl反射，从而实现Stokes光的分离提取， 起到保护激光器的作用，同时也实现Stokes光的分离提取；
第一偏振片Pl输出端输出的反射激光经全反镜R反射到第二 1/2波片7 的输入端，其中第二l/2波片7、第二偏振片P2、第二l/4波片9和第二级压 縮系统10的光路与第一 1/2波片2、第一偏振片Pl、第一 1/4波片4和第一 级压縮系统5的光路连接相同，第二偏振片P2的输出端为脉冲光输出端；
最终输出由第二偏振片P2引出，在此作用过程中，第一级压縮系统5的 第一级输出光Output 1具有陡前沿并伴有尾部调制的典型波形特征，这种主一 子多峰结构将在介质中形成更利于新主峰放大的增益特征，从而拉大主峰和次 级子峰的强度比，通过调节第一级压縮系统5各参数，如结构参数作用长度L、介质参数声子寿命T、增益g、泵浦参数峰值功率密度P等，可改变第一级输 出光Output 1脉冲的主次峰能量分配，使其达到最佳分配比例以利于第二级中
主峰对次峰的能量提取。同时调节第二级压縮系统10的参数，主要为作用长 度L，使第二级Stokes光与第二级输入光Input 2光尾部子峰在介质中相遇并 充分作用，可达到抑制最终输出波形尾部调制的目的。
激光源采用Nd:YAG激光器，波长1064nm，以重复率1Hz运行，脉宽 12士lnso
利用本实施方式得到的典型波形如图6至图8所示，由图中可以看出， 高斯型的抽运脉冲经第一级压縮后，其输出波形出现典型的调制现象脉冲前 沿很陡，尾部伴有多个调制子峰。此脉冲被引入到第二级结构再次压縮后，得 到的脉冲宽度变窄，并且尾部调制被降低到相对较低的水平，波形质量得到明 显改善。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同点在于第一级压縮
系统5和第二级压縮系统10都采用单池型压縮系统；其它组成和连接方式与
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
一不同点在于第一级压縮
系统5采用双池型压縮系统，第二级压縮系统10采用单池型压縮系统。其它
组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图2或图4说明本实施方式，本实施方式与具体
实施方式二或三不同点在于单池型压縮系统由SBS产生池5-1和聚焦透镜5-2 组成，单池型压縮系统输入端接收到的激光束经聚焦透镜5-2会聚到SBS产 生池5-1中，与SBS产生池5-1中的介质发生作用产生的后向Stokes光，SBS 产生池5-1输出的后向Stokes光脉冲，再经聚焦透镜5-2沿原光路返回到单池 型压縮系统的输入输出端向外输出。其它组成和连接方式与具体实施方式
二或 三相同。
具体实施方式
五结合图3或图4说明本实施方式，本实施方式与具体 实施方式四不同点在于双池型压縮系统由SBS产生池5-1、聚焦透镜5-2、 SBS 放大池5-3和縮束透镜5-4组成；双池型压縮系统输入端接收到的激光束依次 经縮束透镜5-4、 SBS放大池5-3和聚焦透镜5-2会聚到SBS产生池5-1中，
7与SBS产生池5-1中的介质发生作用产生的后向Stokes光，SBS产生池5-1 输出的后向Stokes光脉冲，再依次经聚焦透镜5-2、 SBS放大池5-3和縮束透 镜5-4的原光路返回到双池型压縮系统的输入输出端向外输出。双池型压縮系 统较单池型压縮系统的优点为能量利用率较高，可对泵浦光进行充分的抽取。 其它组成和连接方式与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式与具体 实施方式五不同点在于增加了两个单面镀增透膜平片，第一单面镀增透膜平片 BS1和第二单面镀增透膜平片BS2分别置于第一偏振片PI和第一 1/4波片4 之间的光路上和第二偏振片P2和第二 1/4波片9之间的光路上。其它组成和 连接方式与具体实施方式
五相同。单面镀增透膜平片作为分束镜用于取样，它 以反射率为4%的小角度摆放在光路中时，将其反射的抽运光和Stokes光送入 探测器中，可观察到抽运光和Stokes光的波形和能量。实验中用快响应光电 二极管探测、并用数字示波器TDS3032B记录其波形，用以色列产的OPHIR 能量计探测能量。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方 式的组合同样也可以实现发明的目的。
本发明的原理为，在SBS脉冲压縮过程中，由于第一级压縮系统5和第 二级压縮系统IO输出的后向Stokes光脉冲与抽运光脉冲传输方向相反，总是 Stokes光脉冲前沿首先与未被衰减的抽运光脉冲相遇，获得优先放大而变陡， 而后沿则很少参与耦合放大，使得Stokes光脉冲宽度明显变窄，形成SBS脉 冲压縮效应。这样SBS脉冲压縮得到的典型波形为陡前沿，因脉冲前部能量 堆积程度大，宏观增益高，易对抽运抽空；后沿放大小，调制子峰也往往在此 出现。可见，后向Stokes光脉冲与抽运光脉冲作用增益的不均衡是构成输出 光脉冲压縮的根本原因。若将一次SBS压縮后的输出光(具有调制波形)作 为抽运光，再次进行SBS作用，则该抽运光的主一子多峰结构将可能在介质 中形成更利于新主峰放大的增益特征，从而拉大主峰和次级子峰的强度比，达 到抑制最终输出波形尾部调制的目的。因此构造了双级SBS压縮的物理模型， 具有高斯型脉冲波形的抽运光Pump进入第一级压縮系统5并反向输出，得到 第一级输出光Output 1。第一级输出光Output l将具有常见的主峰陡前沿、多调制子峰的波形结构。将第一级输出光Output 1作为抽运光注入到第二级压縮 系统10中(记为第二级输入光Input 2)，再次进行SBS作用。由于第二级输 入光Input2主峰前沿很陡且具备高的峰值功率，其在第二级压縮系统10中可 很快达到阈值并形成很强的能量转换，得到一个前沿更陡的高增益二级Stokes 脉冲。随后，此脉冲在反向传播过程中与第二级输入光Input 2尾部调制子峰 相遇，相当于大信号布里渊放大过程，抽运光调制子峰能量被二级Stokes脉 冲强烈的提取。通过合适的参数控制，可使第二级输出光Output 2在波形上表 现出脉宽窄、强度大的单峰结构，SBS常见的尾部调制现象在此将被很好的控 制。
权利要求
1、一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压缩装置，其特征在于它包括激光源(1)、第一1/2波片(2)、第一偏振片(P1)、第一1/4波片(4)、第一级压缩系统(5)、全反镜(R)、第二1/2波片(7)、第二偏振片(P2)、第二1/4波片(9)和第二级压缩系统(10)；激光源(1)输出端输出Pump激光脉冲到第一1/2波片(2)的输入端，第一1/2波片(2)的输出端输出的激光到第一偏振片(P1)输入端，第一偏振片(P1)输入输出端输出透射p态线偏振光到第一1/4波片(4)的第一输入输出端，第一1/4波片(4)的第二输入输出端输出圆偏振光到第一级压缩系统(5)的输入输出端，第一级压缩系统(5)的输入输出端输出返回的散射的圆偏振光到第一1/4波片(4)的第二输入输出端，第一1/4波片(4)的第一输入输出端输出返回的s态线偏振光到第一偏振片(P1)的输入输出端；第一偏振片(P1)输出端输出的反射激光经全反镜(R)反射到第二1/2波片(7)的输入端，其中第二1/2波片(7)、第二偏振片(P2)、第二1/4波片(9)和第二级压缩系统(10)的光路与第一1/2波片(2)、第一偏振片(P1)、第一1/4波片(4)和第一级压缩系统(5)的光路连接相同，第二偏振片(P2)的输出端为脉冲光输出端。
2、 根据权利要求1所述的一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压縮装 置，其特征在于第一级压縮系统(5)和第二级压縮系统(10)都采用单池型压縮系 统。
3、 根据权利要求1所述的一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压縮装 置，其特征在于第一级压縮系统(5)采用双池型压縮系统，第二级压縮系统(IO) 采用单池型压縮系统。
4、 根据权利要求2或3所述的一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压 縮装置，其特征在于单池型压縮系统由SBS产生池(5-l)和聚焦透镜(5-2)组成， 单池型压縮系统输入端接收到的激光束经聚焦透镜(5-2)会聚到SBS产生池 (5-l)中，SBS产生池(5-l)输出的后向Stokes光脉冲，再经聚焦透镜(5-2)返回 到单池型压縮系统的输入输出端向外输出。
5、 根据权利要求4所述的一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压縮装 置，其特征在于双池型压縮系统由SBS产生池(5-l)、聚焦透镜(5-2)、 SBS放 大池(5-3)和縮束透镜(5-4)组成；双池型压縮系统输入端接收到的激光束依次经 縮束透镜(5-4)、 SBS放大池(5-3)和聚焦透镜(5-2)会聚到SBS产生池(5-l)中，SBS产生池(5-l)输出的后向Stokes光脉冲，再依次经聚焦透镜(5-2)、 SBS放 大池(5-3)和縮束透镜(5-4)返回到双池型压縮系统的输入输出端向外输出。
6、 根据权利要求5所述的一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压縮装 置，其特征在于还包括两个单面镀增透膜平片，第一单面镀增透膜平片(BS1) 和第二单面镀增透膜平片(BS2)分别置于第一偏振片(P1)和第一 1/4波片(4)之 间的光路上和第二偏振片(P2)和第二 1/4波片(9)之间的光路上。
全文摘要
一种消调制受激布里渊散射激光脉冲压缩装置。它涉及获得无调制窄脉冲波形的装置，它克服现有技术中SBS脉冲压缩系统输出波形质量差、不稳定并伴有调制现象的缺陷。Pump激光脉冲由激光源射出，经第一1/2波片、第一偏振片、第一1/4波片进入第一级压缩系统中，其中第一偏振片和第一1/2波片组成的能量调节系统，第一偏振片和第一1/4波片组成隔离系统；再按原路返回到第一偏振片并且被它打入到反射镜中，反射镜将光反射到第二1/2波片上，其中第二1/2波片、第二偏振片、第二1/4波片和第二级压缩系统的光路与第一1/2波片、第一偏振片、第一1/4波片和第一级压缩系统的光路连接相同，第二偏振片的输出端为脉冲光输出端。它主要用于在光谱学中光泵研究介质材料的能级跃迁。
文档编号G02F1/35GK101504505SQ200910071550
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月16日 优先权日2009年3月16日
发明者吕志伟, 朱成禹, 琦 郭 申请人:哈尔滨工业大学