专利名称：用于受激布里渊散射相位共轭镜的相位稳定装置以及使用该装置的光放大设备的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及相位稳、定装置以及包括该相位稳定装置的 光放大设备，并且更具体地涉及用在使用受激布里渊散射相位共辄
镜(下文中被称为"SBS-PCM，，)的光放大系统中的相位稳定装置， 以及使用这种相位稳定装置的光放大设备。
背景技术：
通常，由于受激布里渊散射相位共轭4竟反射相位共轭波，因此 它可以补偿发生在激光》文大过程中的激光束的失真。因此，可以非 常方便地将受激布里渊散射相位共轭镜应用于光束合并大功率激 光(beam combination high power laser )。 参照图1和2描述使用受 激布里渊散射相位共轭镜的光束分离放大系统的实例。
图1是示出了使用受激布里渊散射相位共轭镜的传统波前分割 力文大系统的图。
参照图1，从激光振荡器500发射出的光505在通过第一光放 大站(stage ) 510、第二光力文大站540、以及第三光力文大站570的同 时,皮放大并且形成为多个光束。即，光505被从偏振光束分束器(下 文中称为"PBS")反射，入射到第一光束阻断器(beam blocker) 520上，并从受激布里渊散射相位共轭镜(SBS-PCM)被反射。被反射的光再次穿过PBS并且入射到第一光i文大器530上。此后，入 射到第一光放大器530上的光在穿过第一光放大器530的同时被放 大。祐:;改大的光乂人SBS-PCM净皮反射并入射到PBS上。PBS反射入 射光并将被反射的光输出至光学扩大器(light expander ) 535 。该光 学扩大器535扩大入射光并将纟皮扩大的光l命出至第二光力文大站540。 第二光》文大站540 "i殳置有第二光束阻断器550,该第二光束阻断器 具有与第一光》文大站510的第一光束阻断器520相同的结构并JU丸 4亍相同的功能。然而，第二光》丈大站540还包4舌布置在第二光方文大 器560上游的波前分割光束分束器562。第二光放大器560以2 x 2 阵列形成。在这种情况下，波前分割光束分束器562被用来单独地 将光束传输至构成2x2阵列的第二光放大器560的部件。即，在 光入射到第二光》文大器560上之前，光的波阵面(wavefront);故波 前分割光束分束器562分割，并且^皮分割的光束一皮沿各自的光轴布 置的相应的放大器放大。被放大的光束从SBS-PCM反射，并^皮合 并并入射到PBS上。PBS反射入射光并将^皮反射的光输出至光束扩 大器565。光束扩大器565扩大入射光并将^皮扩大的光输出至第三 光》文大站570。在第三光》丈大站570中，第三光》文大器590以4 x 4 阵列形成，而第三光束阻断器580以2x2阵列形成。在这种情况 下，波前分割光束分束器582和592纟皮用来将光传4餘至相应的阵列。
当构造这样一个光放大系统时，期望数目的放大站依次相互连 接，因此不仅自由地增大了输出能量且不会损害该光学系统，而且 还将重复率保持在相同水平。即，当能量密度由于连续的放大而增 大时，如果能量密度不减小，光学系统和激光增益々某介(gain media) 可能会被损坏。因此，需要扩大激光，但是激光增益媒介的尺寸也 必须增大。这导致激光增益々某介的冷却率降低，并且因此事实上不 可能生成具有高重复率的激光。因此，使用了图l的光束合并放大 设备，该设备采用增大激光尺寸但保持增益媒介的尺寸不变的方 法。图2是示出了使用受激布里渊散射相位共轭镜的传统振幅分割 ;改大系统的图。
参照图2，振幅分割放大系统被构造成包括用于产生激光的激 光振荡器100、用于扩大激光的光束扩大器(BE) 101、用于反射 被扩大的光的PBS 102、用于》文大^皮反射的光的第一》文大站200、 用于扩大通过第一》文大站200》文大的光的BE 103、用于再次;改大通 过第一》文大站200》丈大的光的第二i文大站300、以及用于才广大通过 第二》文电站300扩大的光的BE 104,并且该4展幅分割;故大系统还4皮 构造成使得通过第二放大站300方文大的光纟皮输出至第三》文大站(未 示出)。
在第一放大站200中，沿着光学路径布置用于光放大的装置， 即，四分之一波片201、 PBS202、 BE203、法4立第S走4争器(FR) 204、放大器205、 FR206、以及锁相器(PL， Phase Locker) 207。 进一步，在第二方文大站300中，沿着光学^各径布置用于光》文大的装 置，即，PBS301、四分之一;皮片302、 PBS303、 45度S走專争器304、 PBS 305、 BE 306、 FR307、放大器308、 FR309、以及PL310。
乂人激光偏才展器100输出并且#1 S-偏才展(S-polarized )的光净皮BE 101扩大并且乂人PBS 102反射，^皮反射的光入射到第一》文大站200 上。入射到第一放大站200上的光在穿过四分之一波片201的同时 一皮哞^f匕成圓l扁才展光(circularly polarized light )。 i亥圆^扁才展光一皮PBS 202进行振幅分割，因此该圓偏振光的一部分(P-偏振光)从PBS 202 被反射而圓偏振光的剩余部分(S-偏振光)通过PBS 202。 P偏振 激光和S偏振激光在通过由BE 203、 FR204、放大器205、 FR206、 以及PL 207形成光学^各径时纟皮分别力文大，并随后以相同的偏振状态 通过PBS 202或^U亥PBS ^皮反射。激光束在四分之一波片201的前 方一皮合并，并且^皮进4亍圓偏4展，这与激光束被〃振幅分割之前的光相 似。此后，圓偏振光通过四分之一波片201并且^皮转换成P偏振激光。进一步，以这种方式放大的激光经过PBS 102并且通过BE 103扩大。
随后，被BE 103扩大的光入射到第二放大站300上。操作第 二》文大站300以将入射光纟展幅分割成四个光束，并将纟皮》文大的光束
;波此合并，并将^皮合并的光^r出至随后的第三》丈大站(未示出)。
第二力文大站300的PBS 301将入射光输出至四分之一波片302。PBS 303将从四分之一波片302输出的光进行振幅分割， <吏P偏振激光 从其中通过，并反射S偏振激光，并将通过的激光和一皮反射的激光 单独地输出至45度旋转器304。在这种情况下，为了将单个激光束 振幅分割成两个光束，将45度旋转器304连接至两个PBS 305的 组合，因此形成了 2x2阵列结构。当P偏振激光和S偏振激光通 过45度旋转器304时，每个光束的偏振都旋转了 45度。此后，每 个偏4展光束均^皮随后的光学装置(即，PBS 305) 4展幅分割成两个 光束。因为在与上述第 一》文大站200相同的构造上执4亍相同的功能， 所以省略随后的步骤。当波束通过并返回到45度旋转器304时， 偏振—皮旋转了45度，随后又旋转了45度，因此偏4展没有改变。因 此，由于使用45度旋转器和PBS的振幅分割可无限地进行，因而 如果在第二放大站300之后设置额外的放大站则无限的能量放大是 可能的。
用在图1的光束合并光》文大i殳备中的光束分束器采用波前分割 的方法，该方法在图3a中示出。
如图3a中所示，波前分割光束分束器将入射光a分割成两个 输出光束b。即，波前分割法将激光分割成两个小激光束。
与此同时，除了波前分割法以外，光束分束器还可以4吏用图2 的才展幅分割法。该方法在图3b中示出。参照图3b,振幅分割光束分束器将入射光a分成两个输出光束 b，以^f吏得一个^T出光束通过该光束分束器而另 一个输出光束乂人该 光束分束器被反射。即，在振幅分割法中，两个光束仅仅是能量被 分割了，而它们的尺寸没有#1改变。与4展幅分割法相比，应用于传 统的光》文大i殳备的波前分割法不能具有与主偏振器的形状 一 致的 激光形状，从而对于必须以激光形状加工放大器的增益媒介的截面 来说比较困难。对此的原因是当增益媒介的截面与入射光的形状不 同时，；故大效率可能降^f氐。进一步，激光的空间分布包^"高空间频 率，因此当反射通过SBS-PCM而发生时，相位共轭可能会被石皮坏。 进一步，在当光束祐:;故大之后净皮合并时两个光束的相位在这两个光 束相交的区域中相互不同的情况下，会发生强度尖峰(intensity spike),因此^f吏光的空间分布变差。
然而，因为受激布里渊散射由随机噪音引起，所以被反射的光 束具有随才几相位。因此，净皮合并的激光束具有空间上不同的相位分 布。在图1的情况(波前分割)中，尖峰在边界处发生，而在图2 的情况(振幅分割)中，会发生能量损失。因此，为了将SBS-PCM 应用于光束合并激光系统，各个反射光束的相位被锁定，且相位之 间的相位差必须是零。
下面描述控制SBS-PCM的反射光束的相位的传统方法。
图4是示出了基于^f吏用SBS-PCM的焦点重叠法的传统相位锁 定方法的构造参照图4,实施该方法以在4吏光束的焦点相互重叠的同时将多 个波束的焦点会聚到单个SBS-PCM的散射媒介上。即，使前进的 光束通过聚光透镜，因此多个光束在相互重叠的同时聚焦在 SBS-PCM上。图5是示出了基于使用受激布里渊散射相位共轭镜的斯托克斯 波(Stoke wave)的后部才番种(back-seeding)的4专纟克才目4立4贞定方法
的构造图。
参照图5,术语"斯托克斯波"是指具有与通过受激布里渊散 射反射的反射波相同的频率的激光束。实施该方法以使得后部播种 激光束通过焦点，从而放大该后部播种激光束。即，入射播种波束 在通过由光学装置形成的光学路径之后入射到SBS-PCM上，并从 SBS-PCM被反射，从而生成并》文大后部播种激光束。
图6是示出了使用受激布里渊散射和自波束反馈(self-beam feedback)的锁定激光束相位的第一种传统方法的构造图，而图7 是示出了使用受激布里渊散射和自波束反馈的锁定激光束相位的 第二种传统方法的构造图。即，图6和7示出了自相^f立控制法，该 方法4吏用凹面4竟和压电式换能器(PZT)而4吏得入射激光束通过 SBS-PCM并且将激光束送回至受激布里渊散射々某介，因此控制噪 声。具体地，自相位控制法有利处在于它们能控制斯托克斯波束的 相位，而无需考虑波束的tt目。
然而，在光束合并激光系统中，除了受激布里渊散射的随机相 位自身以外，短期或长期的相位移动可能是一个问题，这种相位移 动由于密度的改变(由媒介对光学路径的热效应引起)或密度的不 均匀性(由对流引起)、以及光学路径的长度变化(由光学装置的 震动和热膨胀引起)而发生。然而，在传统的相位锁定法中，由于 控制斯托克斯波的相位时没有考虑这个问题，因此相位不能被有效 地控制。
因此，为了充分锁定SBS-PCM的反射光束的相位，除了传统 的相位控制法以外还需要新的相位稳定方法。
发明内容
因而，本发明已经考虑了上述问题，且本发明的目的是提供一 种稳定装置以及使用该稳定装置的光放大设备，该稳定装置通过采 用使用反馈电路的相位稳定方法能够实现充分的相位控制，因此能 够制造具有高重复率并具有大功率的激光系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于多个受激布里渊散
射相位共轭镜的相位稳定装置，该装置包括偏振器(或偏光镜)， 用于使从多个受激布里渊散射相位共轭镜反射的光束偏振并使光 束相互干涉；；险测器，用于捕获由偏振器的干涉产生的千涉光束 (interfering beam )并输出该干涉光束；以及相位控制器，用于4吏 用由4企测器捕获的干涉光束来控制相位。
优选地，相位控制器可以控制布置在受激布里渊散射相位共辄 镜下游的特定光学装置(镜)的位置，或者可以控制布置在通向受 激布里渊散射相位共轭镜的光学路径上的特定光学装置(玻璃板) 的角度，因而控制光学路径的长度。
进一步，本发明提供了一种使用多个受激布里渊散射相位共轭 镜的光学放大设备，该设备包括偏振光束分束器，用于根据入射
束分束器；放大单元，用于放大乂人偏振光束分束器反射的并通过偏 才展光束分束器的光束；以及相位控制单元，用于控制纟皮;故大的光束
的相^f立。
优选地，相位控制单元可以包括偏振器，用于对由放大单元 反射的光束进行偏振并使被反射的光束相互干涉；检测器，用于捕 获由偏振器的干涉而产生的干涉光束并输出干涉光束；以及相位控 制器，用于使用由检测器捕获的干涉波束控制相位。优选地，相位控制器可以控制布置在受激布里渊散射相位共辄 镜下游的特定光学装置(镜)的位置，或者可以控制布置在通向受 激布里渊散射相位共轭镜的光学路径上的特定光学装置(玻璃板) 的角度，因此控制光学路径的长度。
图1是示出了使用受激布里渊散射相位共轭镜的传统波前分割
;故大系统的图2是示出了使用受激布里渊散射相位共轭镜的传统振幅分割 ;改大系统的图3是示出了振幅分割法与波前分割法的比较图4是示出了基于4吏用传统的受激布里渊散射相位共辄镜的焦 点重叠法的传统相^f立锁定方法的构造图5是示出了基于使用受激布里渊散射相位共轭镜的斯托克斯 波的后部纟番种的传统相位锁定方法的构造图6是示出了使用受激布里渊散射和自波束反馈的锁定激光束 相位的第一种传统方法的构造图7是示出了使用受激布里渊散射和自波束反馈的锁定激光束 相^f立的第二种传统方法的图8是示出了根据本发明实施例的使用用于受激布里渊散射相 位共轭镜的稳定装置的放大系统的图；以及图9是示出了根据本发明另一实施例的使用用于受激布里渊散 射相位共轭z镜的稳定装置的基础方文大系统的图。
具体实施例方式
下文中，将参照图8和9详细描述本发明的实施方式。
图8是示出了根据本发明实施例的使用用于受激布里渊散射相 位共辄镜的稳定装置的放大系统的图。
参照图8,该系统4吏用振幅分割法分割光束，并且通过4吏用相 位控制模块(block)反馈反射光束来控制压电换能器(PZT) 56， 该相位控制模块包括偏振器70、检测器80、以及相位控制器90，
从而调整焦点的位置。
图8的系统包括用于生成激光的激光振荡器10、用于扩大激 光的光束扩大器(BE) 20、以及用于反射被扩大的光的第一偏振光 束分束器(PBS)30。而且，用于放大由第一PBS30反射的光的放 大才莫块包4舌第二PBS 50和第三PBS 60;第一至第四法^立第凝:專争 器(FR) 51、 61、 53和64;第一》文大器52和第二方文大器62;第 一 SBS-PCM 54和第二 SBS-PCM 64;第一4竟55和第二4竟65;以 及PZT56。进一步，用于控制被放大的光的相位的相位控制模块包 括偏振器70、检测器80、以及用于控制第一镜55的位置以控制 光的相位的相位控制器90。
在图8中，该系统包括两个光放大模块， 一个放大模块以参考 标号50至56表示，而余下的放大模块以参考标号60至65表示。 在这种情况下，通过第一PBS 30对激光束进行振幅分割，被分割 的激光束相互合并。从激光振荡器10输出的并且进行S偏振的光 束一皮BE 20扩大并净皮第一PBS 30反射。此后，激光束在通过四分之一波片40的同时^皮转换成圓偏振光。部分圓偏振光(P偏振光) 通过第二 PBS 50,而剩余部分的圆偏振光(S偏振光)乂人第二 PBS 50被反射。已经通过第二 PBS 50并且进行P偏振的激光束通过穿 过第一FR51、第一方文大器52、第二FR53、第一 SBS-PCM 54、 第一4竟55、以及PZT56之后返回到第一FR51的光学路径而放大。 返回的光是P偏振的，同它入射之前的光的偏振状态一样。已经从 第二PBS 50反射并且为S偏振的激光束从第三PBS 60反射并且在 通过FR61、第二》文大器62、第四FR63、第二 SBS-PCM 64、以 及第二4竟65之后返回到第三FR 61。返回的反射光/人第三PBS 60 被反射。此时，反射光是S偏振的，同它入射之前的光的偏振状态—样。
在这种情况下，已经^皮》文大并且为p偏净展的激光束通过第二
PBS 50， S偏振的激光束被从第二 PBS 50反射，并且该激光束在四 分之一波片40前4皮此合并。当4寺合并的两个光束的相位4皮此相同 时，合并的光束为圓偏振，同它被分割之前一样。此后，该圓偏振 光束通过四分之一波片40并J1^皮转:换成P偏冲展激光束。此后，合 并的激光束通过第一PBS 30并且纟皮光束扩大器扩大，并且^皮扩大 的光入射到随后的》文大站上。
在这种情况下，自相4立4空制方法可以用作相4立锁定器(phase locker)以用于锁定乂人相应的SBS-PCM 54和64反射的波的相4立， 但是增加反馈部件(其是独立的相位控制模块)，从而消除相位移 动。因为部分光束乂人第二 PBS 50向上泄漏，所以相位控制才莫块允 许该反射光束(由虚线表示)通过偏4展器70， 乂人而引起干涉。在这 种情况下，反射光束包括^人第一 SBS-PCM 54和第二 SBS-PCM 64 反射的两个光束。偏振器70使这两个反射光束偏振，从而，获得 干涉光束。之后，检测器80捕获通过偏振器70的偏振而获得的干 涉光束，并将干涉光束输出至相位控制器90。相位控制器9(H吏用干涉光束控制第一4竟55的位置，因而控制光束的相位。即，为了 ^吏干涉波束的能量均匀，调整附着有PZT 56的第一4竟55的位置， 乂人而调整光学路径的长度。
图9使示出根据本发明另 一实施例的使用用于受激布里渊散射 相位共4厄4竟的稳定装置的基础》文大系统的图。
在图9中，使用相位控制模块调整玻璃板57的入射角，从而 调整光学^各径的长度。图9示出了这样的系统，该系统中，以相同 的方式操作使用与图8中的参考标号相同的参考标号的部件，并且 该系统通过使用相位控制模块调整光学路径的长度来补偿从第一 SBS-PCM 54和第二 SBS-PCM 64反射的光束的相位移动。然而， 图9的系统与图8的系统的不同之处4又在于通过调整布置在光学 路径上的玻璃板57的入射角来调整光学路径的长度，而不是通过 调整布置在第一 SBS-PCM 54下游的镜的位置来调整光学路径的长 度。在这种情况下，玻璃板57可以布置在SBS-PCM 54的上游或 下游。
如上所述，本发明包括 使用相位控制才莫块来补偿SBS-PCM的 反射波的相位移动的所有方法，且可认为图8和9是这些方法的实例。
图8和图9都示出了通过相位控制模块反馈反射光束来控制光 学路径的长度，从而补偿由于密度的变化(由媒介的热效应引起) 或密度的不均匀性(由对流引起)、以及光学路径长度的变化(由 光学装置的振动和热膨胀引起)而引起的短期或长期相位移动的方 法。以这种方式，本发明包括使用反馈法补偿SBS-PCM的反射波 的相位移动的所有方法。因此，当根据本发明的用于稳定SBS-PCM 波束的相位的装置应用于波束分束激光放大器时，可以制造对于能 量放大没有限制并且具有高重复率和大功率的激光系统。工业适用寸生
如上所述，由于本发明的系统可以长时间地稳定锁定光的相 位，因此它可以用在各种工业中并且在需要高重复率和大功率的情 况下还可以用于科学研究。
权利要求
1. 一种用于多个受激布里渊散射相位共轭镜的相位稳定装置，包括偏振器，用于使从所述多个受激布里渊散射相位共轭镜反射的光束偏振并使所述光束相互干涉；检测器，用于捕获由所述偏振器的干涉而引起的干涉光束并输出所述干涉光束；以及相位控制器，用于利用由所述检测器捕获的所述干涉光束来控制相位。
2. 根据权利要求1所述的相位稳定装置，其中，所述相位控制器 控制布置在所述受激布里渊散射相位共轭4竟下游的特定光学 装置的位置，从而控制光学路径的长度。
3. 根据权利要求2所述的相位稳定装置，其中，所述光学装置是 镜子。
4. 根据权利要求1所述的相位稳定装置，其中，所述相位控制器 控制布置在通向受激布里渊散射相位共轭镜的光学路径上的 特定光学装置的角度，从而控制光学路径的长度。
5. 根据权利要求4所述的相位稳定装置，其中，所述光学装置是 玻璃板。
6. —种〗吏用多个受激布里渊散射相位共辄4竟的光i文大i殳备，包 括偏振光束分束器，用于才艮据入射光的偏振来反射所述入 射光的一部分并使所述入射光的剩余部分通过所述偏振光束分束器；放大单元，用于放大从所述偏振光束分束器反射的光束 以及通过所述偏振光束分束器的光束；以及相位控制单元，用于控制被放大的光束的相位。
7. 根据权利要求6所述的光放大设备，其中，所述相位控制单元 包括偏#展器，用于侵乂人所述》文大单元反射的光束偏纟展并〗吏反 射光束相互干涉；并车lr出所述干涉光束；以及相位控制器，用于利用由所述检测器捕获的所述干涉光 束来控制相位。
8. 根据权利要求7所述的光放大设备，其中，所述相位控制器控制布置在所述受激布里渊散射相位共轭#:下游的特定光学装置的位置，从而控制光学路径的长度。
9. 根据权利要求8所述的光放大设备，其中，所述光学装置是镜 子。
10. 根据权利要求7所述的光放大设备，其中，所述相位控制器控 制布置在通向所述受激布里渊散射相位共辄镜的光学路径上 的特定光学装置的角度，从而控制光学路径的长度。
11. 根据权利要求10所述的光放大设备，其中，所述光学装置是 玻璃板。
全文摘要
本发明的目的是提供一种用于受激布里渊散射相位共轭镜的相位稳定装置以及使用该相位稳定装置的光放大设备。本发明的光放大设备包括偏振器(70)，该偏振器用于使从多个受激布里渊散射相位共轭镜反射的光束偏振并使光束相互干涉。检测器(80)捕获由偏振器(70)的干涉产生的干涉光束，并输出该干涉光束。相位控制器(90)使用由检测器捕获的干涉光束来控制相位。因此，本发明的设备可以长时间地稳定锁定相位，并且可以用在各种工业中并且在需要高重复率和大功率的情况下可以用于科学研究。
文档编号G02B6/26GK101416087SQ200780008255
公开日2009年4月22日 申请日期2007年3月7日 优先权日2006年3月8日
发明者孔弘珍, 李奉柱 申请人:韩国科学技术院