专利名称：一种基于受激布里渊散射的共线串行组束装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光的串行组束装置，属于光学领域。
背景技术：
激光组束是一种通过对多束小能量、低功率激光进行合成来获取大能量、 高功率激光输出的技术手段。目前在大能量、高功率激光器方面应用的多为固 体脉冲激光器，现有的组束方法中，在固体脉冲激光器方面多是利用非线性光 学相位共轭原理来实现。非线性光学相位共轭原理并行组束中主要的一种就是
受激布里渊散射(SBS，是一种将前向传输光信号的光功率转移给后向散射光 和声子场的非线性效应)相位共轭并行组束。在固体脉冲激光器应用方面，SBS 相位共轭并行组束主要分为重叠耦合并行组束、后向注入种子光并行组束(引 自文献《受激布里渊散射相位共轭组束的研究现状和发展前景》，丁迎春，吕 志伟，赵晓彦等著.激光与光电子学进展，2000,37(5):7-12)和独立介质池并行 组束。
重叠耦合并行组束和后向注入种子光并行组束由于都是把多束激光聚焦 在同一个介质池中，系统的负载集中，在光束数较多时，介质池中的激光能量 过高，会带来其他的非线性效应，并且会打坏介质。因此具有系统的负载不高， SBS后向反射率较低的缺点。
图2给出了 SBS重叠耦合结构(100)并行组束的原理图。从激光器(101)输 出的激光被偏振分束板(PBS)(102)分为两束，其中一束s波通过45。全反镜(103) 后通过增益介质(108)放大，然后经四分之一波片(简称QW) (104)后通过聚焦 透镜(106)进入介质池(107)。另一束p波经过增益介质(109)放大，然后经QW (105)后通过聚焦透镜(106)进入介质池(107)。两束光在介质池(107)中由于具有 相同的声波场从而实现两束光的相位锁定。通过SBS原理后向散射后，s波经 QW(104)后变为p波，然后通过增益介质(108)经全反镜(103)反射后通过 PBS(102)透射输出；p波经QW(105)后变为s波，然后通过增益介质(109)后经 PBS(102)r反射输出。由于双光束在介质中的重叠耦合相位锁定，输出的激光为相干合成输出。从图2可以看出，由于重叠耦合结构(100)中多束激光聚焦 在同一个介质池中，会使系统的负载集中，在光束数较多时，介质池中的激光 能量过高，会带来其他的非线性效应，甚至会打坏介质。
SBS重叠耦合并行组束是通过两束光在介质池中相互耦合实现光束相位 的锁定，受两光束在介质池中的重叠位置，光束间距等影响较大，而且反射率 不高。在此基础上，人们提出了后向注入种子光并行组束模型。图3给出了 SBS后向注入种子光结构(200)并行组束的基本原理。从激光器中分出的另外 一束光产生通过与介质池(208)中同样的介质来产生一束种子光(209)，会聚 在介质池(208)中的两束光通过外部引出的种子光209来实现相位的锁定。用 于组束的两束光的传输过程与图2中一致。图3中201为PBS， 202为45°全 反镜，203、 204为增益介质，205、 206为QW， 207为聚焦透镜.。利用后向 注入种子光结构(200)进行组束的方法，两束光的相位锁定实质上是对种子 光相位信息的再现，是种子光的放大过程，不是相位共轭过程。同样这种方法 也存在系统负载集中的问题。
针对前两种方法负载不高的特点，韩国KAIST大学的Hong Jin Kong提 出了独立介质池SBS并行组束(Hong Jin Kong， Seong Ku Lee, Dong Won Lee. Beam combined laser fbsion driver with high power and high repetition rate using stimulated Brillouin scattering phase conjugation mirrors and self-phase-locking. Laser and Particle Beams, 2005， 23:55-59)，其特点是，每个子光束采用一个独 立的介质池来实现相位共轭，使系统的负载分散，但由于各独立介质池之间的 无关，因此需要对每个子光束的能量进精确的控制。但是，由于此种方法是通 过控制激光束的能量水平来控制声波场的产生时间，因此对光束的能量稳定性 要求很高。
图4给出了 SBS独立介质池结构(300)并行组束原理图。在独立介质池结 构(300)中，参与组束的激光束通过介质池(308， 309)以及凹面全反镜(310， 311) 来实现相位锁定。具体过程是前向传输的激光束会与通过凹面全反镜(310， 311)返回的光束相干形成驻波，驻波的形成会固定声波场的产生位置，而通过 控制光束的能量可以控制声波场的产生时间，在声波场的产生位置和时间都确 定的情况下，也就确定了介质池(308， 309)内产生的SBS后向共轭光的相位，从而实现了两光束相位的锁定。在独立介质池结构(300)外部分，光束的传输 与图2—致。图4中，301为激光器，302为PBS， 303为45。全反镜，304、 305为增益介质，306、 307为QW。这种方案中存在的问题是由于是通过控 制激光束的能量水平来控制声波场的产生时间，因此对光束的能量稳定性要求 很高。
发明内容
本发明的目的是克服重叠耦合并行组束和后向注入种子光并行组束结构 的系统负载不高，SBS后向反射率较低的缺点，同时克服独立介质池SBS并 行组束对光束的能量稳定性要求高的问题，提出了一种基于受激布里渊散射的 共线串行组束装置。
本发明由n个共线布里渊放大结构单元和n-l个全反镜组成，n个共线布 里渊放大结构单元通过n-l个全反镜串行连接，共线布里渊放大结构单元由第 一偏振片、第一l/4波片、介质池、第二l/4波片、第二偏振片、1/2波片和 光学陷阱组成，沿光轴依次设置有第一偏振片、第一l/4波片、介质池、第二 1/4波片和第二偏振片，第一偏振片和第一 1/4波片依次透射沿光轴入射的p 波种子光并转换成圆偏振光注入介质池中；第二偏振片和第二 1/4波片依次透 射沿光轴入射的p波抽运光并转换成圆偏振光注入介质池中；介质池中放大p 波种子光后的残余的p波抽运光经第一 1/4波片透射并转换成s波抽运光入射 至第一偏振片，第一偏振片反射所述s波抽运光至光学陷阱中，介质池中的p 波种子光被p波抽运光放大后入射至第二 1/4波片，第二 1/4波片透射放大后 的p波种子光并转换成s波种子光入射至第二偏振片，所述s波种子光经第二 偏振片反射改变光路后入射到1/2波片，经1/2波片透射并转换成p波种子光 入射至全反镜，所述p波种子光经全反镜2反射改变光路后进入下一级共线布 里渊放大结构单元，n为自然数，且n〉1。
本发明的优点是
1、 抽运光对种子光放大，通过改变介质池的长度来改变两束光相互作用 长度，能在保持高效放大的前提下适应不同能量水平光束的组束需要；
2、 通过偏振片与1/4波片相匹配的办法，在对线偏振光进行组束时，可 以实现多束抽运光先后注入到不同的介质池完成对种子光的放大作用，同时可以很好的提取放大后的种子光；
3、 一个介质池注入一束抽运光使系统的负载分散，可以提升组束系统的 负载能力；
4、 共线布里渊放大结构可以同比扩束，随着组束级次的增多，可以通过 扩束来提高组束系统的适应能力；
5、 对参与组束的各光束的能量稳定性要求不高。
图1是本发明的结构示意图，图2是背景技术中SBS重叠耦合结构并行 组束的原理示意图，图3是背景技术中SBS后向注入种子光结构并行组束的 原理示意图，图4是背景技术中SBS独立介质池结构并行组束的原理示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一下面结合图1说明本实施方式，本实施方式由n个共线 布里渊放大结构单元1和n-l个全反镜2组成，n个共线布里渊放大结构单元 1通过n-l个全反镜2串行连接，共线布里渊放大结构单元1由第一偏振片1-1、 第一 1/4波片1-2、介质池1-3、第二 1/4波片1-4、第二偏振片1-5、 1/2波片 1-6和光学陷阱1-7组成，沿光轴依次设置有第一偏振片1-1、第一 1/4波片 l國2、介质池1-3、第二 1/4波片1-4和第二偏振片1-5，第一偏振片1-1和第一 1/4波片1-2依次透射沿光轴入射的p波种子光3并转换成圆偏振光注入介质 池1-3中；第二偏振片1-5和第二 1/4波片1-4依次透射沿光轴入射的p波抽 运光4并转换成圆偏振光注入介质池1-3中；介质池1-3中放大p波种子光3 后的残余的p波抽运光4经第一 1/4波片1-2透射并转换成s波抽运光4入射 至第一偏振片1-1，第一偏振片1-1反射所述s浓抽运光4至光学陷阱1-7中， 介质池1-3中的p波种子光3被p波抽运光4放大后入射至第二 1/4波片1-4， 第二 1/4波片1-4透射放大后的p波种子光3并转换成s波种子光3入射至第 二偏振片1-5，所述s波种子光3经第二偏振片1-5反射改变光路后入射到1/2 波片l-6，经l/2波片l-6透射并转换成p波种子光3入射至全反镜2，所述p 波种子光3经全反镜2反射改变光路后进入下一级共线布里渊放大结构单元 1， n为自然数，且11>1。
工作原理对同为p波的一束种子光3和n束抽运光4，利用本发明的放大结构来实现一束种子光3与ii束抽运光4的作用，完成n束抽运光4的能量 向一束种子光3的转移，最后完成对n+l束激光的组束。p波的种子光3通过 与光轴夹角为布儒斯特角的第一偏振片1-1后经过第一 1/4波片1-2变为圆偏 振光注入介质池1-3，第1束抽运光4通过第二偏振片1-5后经第二 1/4波片 1-4变为圆偏振光注入介质池1-3，在介质池1-3内完成抽运光4对种子光3 的放大，抽运光4与种子光3之间满足布里渊放大的频率匹配条件，设介质池 1-3内的介质的声波频率为(00,抽运光4的频率为Q)l，种子光3的频率为co2， 则应满足关系式0)1=0)2+0)0，如此当抽运光4与种子光3在介质池1-3内相遇 时即会产生布里渊放大效应，完成抽运光4对种子光3的放大，使抽运光4 中的能量向种子光3转移。经放大的种子光3经全反镜2改变光路进入下一级 共线布里渊放大结构单元l,再与下一束抽运光4作用，进一步放大，如此继 续下去，经过n级放大后最终输出能量高、功率大的激光，采用一个介质池 l-3注入一束抽运光4的办法，具有负载分散的优点，可以提升系统的负载能 力。图1中的各元件可以等比扩束，可以在不提高系统功率密度的前提下适应 在较大能量的激光光束。
具体实施方式
二本实施方式与实施方式一的不同之处在于第一偏振片 1-1和第二偏振片1-5均与光轴呈布儒斯特角，第一 1/4波片1-2和第二 1/4波 片l-4均与光轴垂直，其它组成与连接结构与实施方式一相同。
具体实施方式
三:本实施方式与实施方式一的不同之处在于有一束种子光 3入射至第一级共线布里渊放大结构单元1，每级共线布里渊放大结构单元1 均有一束抽运光4入射，每级共线布里渊放大结构单元1的抽运光4入射方向 与种子光3入射方向相反，其它组成与连接结构与实施方式一相同。
具体实施方式
四本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质池1-3的 长度Z由公式Z^，^确定，其中g为介质池l-3内所采用介质的增益系数，/
为工作在介质池1-3内的种子光3和抽运光4的峰值功率密度之和，其它组成 与连接结构与实施方式一相同。
权利要求
1、一种基于受激布里渊散射的共线串行组束装置，其特征在于它由n个共线布里渊放大结构单元(1)和n-1个全反镜(2)组成，n个共线布里渊放大结构单元(1)通过n-1个全反镜(2)串行连接，共线布里渊放大结构单元(1)由第一偏振片(1-1)、第一1/4波片(1-2)、介质池(1-3)、第二1/4波片(1-4)、第二偏振片(1-5)、1/2波片(1-6)和光学陷阱(1-7)组成，沿光轴依次设置有第一偏振片(1-1)、第一1/4波片(1-2)、介质池(1-3)、第二1/4波片(1-4)和第二偏振片(1-5)，第一偏振片(1-1)和第一1/4波片(1-2)依次透射沿光轴入射的p波种子光(3)并转换成圆偏振光注入介质池(1-3)中；第二偏振片(1-5)和第二1/4波片(1-4)依次透射沿光轴入射的p波抽运光(4)并转换成圆偏振光注入介质池(1-3)中；介质池(1-3)中放大p波种子光(3)后的残余的p波抽运光(4)经第一1/4波片(1-2)透射并转换成s波抽运光(4)入射至第一偏振片(1-1)，第一偏振片(1-1)反射所述s波抽运光(4)至光学陷阱(1-7)中，介质池(1-3)中的p波种子光(3)被p波抽运光(4)放大后入射至第二1/4波片(1-4)，第二1/4波片(1-4)透射放大后的p波种子光(3)并转换成s波种子光(3)入射至第二偏振片(1-5)，所述s波种子光(3)经第二偏振片(1-5)反射改变光路后入射到1/2波片(1-6)，经1/2波片(1-6)透射并转换成p波种子光(3)入射至全反镜(2)，所述p波种子光(3)经全反镜(2)反射改变光路后进入下一级共线布里渊放大结构单元(1)，n为自然数，且n＞1。
2、 根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射的共线串行组束装置， 其特征在于第一偏振片(l-l)和第二偏振片(l-5)均与光轴呈布儒斯特角，第一 1/4波片(l-2)和第二 1/4波片(l-4)均与光轴垂直。
3、 根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射的共线串行组束装置， 其特征在于有一束种子光(3)入射至第一级共线布里渊放大结构单元(1)，每级 共线布里渊放大结构单元(1)均有一束抽运光(4)入射，每级共线布里渊放大结 构单元(1)的抽运光(4)入射方向与种子光(3)入射方向相反。
4、 根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射的共线串行组束装置， 其特征在于介质池(l-!3)的长度丄由公式Za，;确定，其中g为介质池(l-3)内所采用介质的增益系数，/为工作在介质池(l-3)内的种子光(3)和抽运光(4)的峰 值功率密度之和。
全文摘要
一种基于受激布里渊散射的共线串行组束装置，涉及一种激光的串行组束装置，属于光学领域。它为了克服重叠耦合并行组束和后向注入种子光并行组束结构的负载低、SBS后向反射率较低缺点，及克服独立介质池SBS并行组束对光束稳定性要求高的问题。本发明由n个共线布里渊放大结构单元和n-1个全反镜组成，第一偏振片和第一1/4波片依次透射沿光轴入射的p波种子光并转换成圆偏振光注入介质池中；第二偏振片和第二1/4波片依次透射沿光轴入射的p波抽运光并转换成圆偏振光注入介质池中；放大后和种子光经第二1/4波片、1/2波片透射和全反镜进入下一级共线布里渊放大结构单元，残余的抽运光经第一1/4波片和第一偏振片进入光学陷阱。
文档编号G02F1/35GK101320190SQ20081006492
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者吕志伟, 王双义, 王雨雷 申请人:哈尔滨工业大学