专利名称：带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相位共轭镜。
背景技术：
随着激光脉冲能量和重复率的提高，传统受激布里渊散射(SBS)过程中不考虑的 介质热吸收问题已经不可忽视了 。对于高能量重复率的激光脉冲，不仅会在高吸收率的介 质中发生很大的热吸收而带来明显的反射率下降等问题，即使是对于较低吸收率的介质， 高能量重复频率的激光脉冲长时间作用于介质也会引起可观的热吸收。而热吸收不仅是损 耗了入射激光脉冲的能量，同时还可能引起较大的温度梯度，导致液体介质折射率变化，从 而影响SBS的能量反射率和稳定性。当重复频率、入射能量、吸收系数达到一定程度时，还 有可能引发介质的受激热散射，从而与SBS竞争，降低能量反射率、稳定性及相位保真度。
发明内容
本发明的目的是解决目前传统受激布里渊散射过程中介质存在热吸收严重的问 题，提供了一种带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜。 带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，它包括SBS介质池、聚焦透镜以 及SBS介质，所述SBS介质装于SBS介质池中，SBS介质池位于聚焦透镜的像方光路上，它 还包括楔形板、旋转电机和连接轴，楔形板位于聚焦透镜的物方光路上，楔形板的中心开有 圆孔，连接轴的一端固定连接旋转电机的旋转轴，连接轴的另一端穿过楔形板中心的圆孔 并与楔形板固定连接。 本发明的相位共轭镜，通过在SBS相位共轭镜聚焦透镜前引入一个可旋转的楔形 板，使光束通过旋转楔形板并经聚焦透镜后，激光焦点在焦平面上随着楔形板的旋转而做 圆周运动，使得前后脉冲的焦点不重合，能够改善介质中的热吸收问题。
图1为本发明的相位共轭镜的结构示意图；图2为焦平面上光斑位置的示意图； 图3为直径50mm的楔形板的正视图；图4为直径50mm、最薄端厚度3mm、最厚端厚度3. 5mm 的楔形板的侧视图；图5为直径50mm、最薄端厚度3mm、最厚端厚度4. Omm的楔形板的侧视 图；图6为直径80mm的楔形板的正视图；图7为直径80mm、最薄端厚度3mm、最厚端厚度 3. 8mm的楔形板的侧视图；图8为直径80mm、最薄端厚度3mm、最厚端厚度4. 6mm的楔形板 的侧视图；图9为光束在楔形板中的光路图；图10为光束经过楔形板和聚焦透镜后在介质 中焦点位置的示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 结合图1说明本实施方式，本实施方式的带有旋转楔形板的受 激布里渊散射相位共轭镜，它包括SBS介质池1、聚焦透镜2以及SBS介质5，所述SBS介质5装于SBS介质池1中，SBS介质池1位于聚焦透镜2的像方光路上，它还包括楔形板3、旋 转电机4和连接轴6，楔形板3位于聚焦透镜2的物方光路上，楔形板3的中心开有圆孔，连 接轴6的一端固定连接旋转电机4的旋转轴，连接轴6的另一端穿过楔形板3中心的圆孔 并与楔形板3固定连接。 激光入射到楔形板3表面后，从楔形板3出射的透射光经聚焦透镜2聚焦至SBS 介质5内，并且当聚焦到SBS介质5内的激光的光功率密度高于SBS阈值时，产生受激布里 渊散射光； 所述旋转电机4，用于带动楔形板3以楔形板中心轴线为中心轴作旋转运动。
所述旋转电机4和楔形板3、聚焦透镜2配合使用时，能够使SBS介质5中的聚焦 光斑也呈现旋转运动，且旋转的中心为光路中未设置楔形板3时、SBS介质内的聚焦光斑。
其中，SBS为受激布里渊散射的英文縮写。本实施方式通过在SBS相位共轭镜聚 焦透镜前引入一个可旋转的楔形板，使光束通过旋转楔形板并经聚焦透镜后，激光焦点在 焦平面上随着楔形板的旋转而做圆周运动，使得前后脉冲的焦点不重合，能够改善介质中 的热吸收问题，从而有效改善液体介质的SBS效果，实现高重复频率高负载相位共轭镜。能 够有效改善受激布里渊散射过程中介质的热吸收问题，具体实施方式
二 与实施方式一不同的是，本实施方式的SBS介质池1为圆柱形元 件，且聚焦透镜2与SBS介质池1的端面紧邻放置，SBS介质5充满SBS介质池1，令f表示 聚焦透镜2在SBS介质5内的有效焦距，e,表示入射激光的发散角，R表示激光在SBS介 质5内的聚焦光斑中心偏离入射激光光轴的垂直距离，R。表示SBS介质池1的横截面半径，
R满足如下关系 2f x e ^ R《R。。 楔形板3、聚焦透镜2配合使用时，能够使激光经过聚焦透镜2聚焦后，焦点在SBS 介质5中随着楔形板3的转动而转动，焦点转动的周期和频率和旋转电机4 一致。焦点在 焦平面上的移动情况如图2所示。其中R也即偏折后焦点中心位置与未偏折时焦点中心位 置的距离，也是偏折后焦点转动的半径，令Rf表示激光焦点的半径，D表示相邻两脉冲焦点 中心的距离。 通过每脉冲焦点移动来防止焦点区域的热积累，缓解热效应带来的问题，必须使
焦斑位置不重叠才能取得较好的效果。激光焦斑半径Rf = fx e,。为降低热量在介质中
扩散的影响，取热效应较严重区域半径为焦斑半径的两倍，即Rth = 2Rf。为防止热积累，要 求激光焦点热区不重叠，要求D > 2Rth，即D > 2mm。又因为D《2R，所以R > 2f X e L。
具体实施方式
三与实施方式二不同的是，本实施方式中聚焦透镜2在SBS介质5 内的有效焦距f = 50cm，入射激光的发散角9 ^ = lmrad，此时R满足
3mm《R《R。。 本实施方式中，Rf = f X e l = 50cmX lmrad = 0. 5mm， Rth = 2Rf = lmm，因此可得 R应满足1mm《R《R。。但由于当R = 1mm时，焦点转动一个周期内只能有两个脉冲的焦 斑，此时激光焦点非常容易重合，而且激光作用的平均区域面积也没有明显增加。因此在本 结构中取R > 3mm，此时焦点转动一个周期内可容纳八个以上脉冲的焦斑，这样激光的热效 应可以分散到较大的区域，有效缓解了热效应带来的影响。
具体实施方式
四与实施方式一至三不同的是，所述旋转电机4的角频率"满
4足 " > 2f Xarcsin(4f X e L)且co - 2K Ji X f0，
其中，f。为入射激光信号的重复频率，K为正整数。 旋转电机4的转速不能太小，否则每脉冲焦点移动距离不够；其转速也不宜过大， 否则不但影响光路稳定性，还可能下一脉冲焦点又转回到当前焦点处。所以转速需按照 实验需求选择。每脉冲焦点转动的角度erat= "t，而相邻两脉冲焦点中心的距离D = 2XRsin(erat/2)。当系统要求D > 2mm， R > 3mm时，实验中常用倾斜角为10mrad的楔形 板3以45度夹角置于光路中，所述45度夹角为楔形板3的前端面与入射激光光轴的夹角， 此时R = 4. 5mm。当激光工作频率为10Hz时，每脉冲间隔t = 0. ls。每脉冲焦点转动的角 度9 Mt = " t = 0. 1 "。此时若需D > 2mm，要求9 r。t > 0. 448，亦即要求"> 4. 48rad/ s = 42. 8rpm。
具体实施方式
五结合图9、图IO说明本实施方式，与实施方式一至四不同的是， 楔形板3的折射率n = 1. 5，楔形板3的倾斜角9 = 10mrad或20mrad，且当e = 10mrad 时，楔形板3前端面与入射激光光轴方向的夹角为e'=45° ，当e 二20mrad时，楔形板 3前端面与入射激光光轴方向的夹角9' G (0° ，90° ]。 本实施方式中，所述倾斜角9 = tan—1 ((L厂L》/①)。其中，表示楔形板3较薄 端的厚度，L2表示楔形板3较厚端的厚度，①表示楔形板的直径。对于折射率为n的介质，入射光在楔形板前端面的入射角为e。，折射角为^， 在后端面的入射角为92，在后端面的折射角为93。则有sine。二nXsine^ 92 = 9工+ 9 ， sin 9 3 = nXsin 9 2， A e = e 3- e - e Q。
A 9 = sin-l(nXsin(sin-l(sin 9 0/
n)+e))-e-e。。当入射角e。 = orad，折射率n = 1.5时，a e = (nx e)-e = e/2。 激光被楔形板偏折后，被透镜聚焦后焦点中心位置与未偏折激光焦点中心位置的 距离R二 fX A e ，其中f表示聚焦透镜2在SBS介质5内的有效焦距。
如果f = 50cm，欲使R > 3mm，需A 9 > 6mrad。
倾斜角9 = 10mrad时 (1)楔形板与入射光束成90度角放置时，可知入射光束被偏折的角度为5mrad， R =f X A 9 = 50cmX0. 005rad = 2. 5mm ; (2)楔形板与入射光束成45度角放置时，可知入射光束被偏折的角度为9mrad， R =f X A 9 = 50cmX0. 009rad = 4. 5mm。
倾斜角9 = 20mrad时 (1)楔形板与入射光束成90度角放置时，可知入射光束被偏折的角度为10mrad， R = f X A 9 = 50cmX0. 01 = 5mm ; (2)楔形板与入射光束成45度角放置时，可知入射光束被偏折的角度为18mrad， R = f X A 9 = 50cmX0. 018 = 9mm。 因此当e = 10mrad时，使楔形板与入射光束成45度角放置即可。当e = 20mrad 时，楔形板与入射光束成任意度角放置均可。
具体实施方式
六结合图3至图8说明本实施方式，与实施方式一至五不同的是， 楔形板3的前端面和后端面分别为圆形和椭圆形，楔形板3的横截面为直角梯形，其中，所 述直角梯形的上底的长度等于楔形板3较薄端的厚度Lp且1^ = 3mm，所述直角梯形的下底的长度等于楔形板3较厚端的厚度L2，楔形板3的前端面的直径为50mm或80mm，且当所述 直径为50mm时，L2 = 3. 5mm或4. 0mm，当所述直径为80mm时，L2 = 3. 8mm或4. 6mm。
图3至图8是楔形板3的结构示意图。在本实施方式中，楔形板3的材料为K9光 学玻璃，折射率n = 1. 5，当其直径为50mm时，参见图3至图5，在其中心钻一个直径为4mm 的圆形孔；当其直径为80mm时，参见图6至图8，在其中心钻一个直径为5. 5mm的圆形孔。 楔形板3的中心钻孔是为了用螺丝、螺母将楔形板3与旋转电机4固定连接。
具体实施方式
七与实施方式一至六不同的是，所述楔形板3的前端面的直径 为80mm，较薄端的厚度k = 3mm，较厚端的厚度L2 = 4. 6mm，体积V = 19. lcm3，密度P = 2. 7g/cm3，质量M = Vp = 51.6g， I = l/2M*r2 = 4. 13X10—5kg*m2。旋转电机4的转速为 60rpm，即"=2Ji/s，且电机0. ls内将楔形板(3)加速至60rpm，需做功E = 1/21* "2 = 8X10—4j，功率P = 8X10—3W = 8mW，扭矩T = P/w = 1. 3X 10—3N *m = 0. 13N'cm。旋转电 机4的功率P应高于8mW，扭矩T大于0. 13N cm。
具体实施方式
八与实施方式一至七不同的是，所述楔形板3的折射率n、倾斜角
e与入射激光的发散角e^及激光入射到楔形板3上时的入射角e。满足如下关系arcsin {n X sin [arcsin (sin 9 。/n) + e])}-e_e。^2X 9L。
权利要求
带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，它包括SBS介质池(1)、聚焦透镜(2)以及SBS介质(5)，所述SBS介质(5)装于SBS介质池(1)中，SBS介质池(1)位于聚焦透镜(2)的像方光路上，其特征在于它还包括楔形板(3)、旋转电机(4)和连接轴(6)，楔形板(3)位于聚焦透镜(2)的物方光路上，楔形板(3)的中心开有圆孔，连接轴(6)的一端固定连接旋转电机(4)的旋转轴，连接轴(6)的另一端穿过楔形板(3)中心的圆孔并与楔形板(3)固定连接。
2. 根据权利要求1所述的带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，其特征在于 所述SBS介质池(1)为圆柱形元件，且聚焦透镜(2)与SBS介质池(1)的端面紧邻放置， SBS介质(5)充满SBS介质池(l)，令f表示聚焦透镜(2)在SBS介质(5)内的有效焦距， V表示入射激光的发散角，R表示激光在SBS介质(5)内的聚焦光斑中心偏离入射激光光 轴的垂直距离，R。表示SBS介质池(1)的横截面半径，R满足如下关系<formula>formula see original document page 2</formula>
3. 根据权利要求2所述的带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，其特征在于 所述聚焦透镜(2)在SBS介质(5)内的有效焦距f 二50cm，入射激光的发散角e , = lmrad， 此时R满足<formula>formula see original document page 2</formula>
4. 根据权利要求1所述的带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，其特征在于 所述旋转电机(4)的角频率"满足w > 2f Xarcsin(4f X 9 L)且co - 2K Ji X f。， 其中，f。为入射激光信号的重复频率，K为正整数。
5. 根据权利要求1所述的带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，其特征在于 所述楔形板(3)的折射率n = 1. 5，楔形板(3)的倾斜角9 = 10mrad或20mrad，且当e = 10mrad时，楔形板(3)前端面与入射激光光轴方向的夹角为e ' = 45° ，当e = 20mrad 时，楔形板(3)前端面与入射激光光轴方向的夹角9 ' G (0° ，90° ]。
6. 根据权利要求2或3所述的带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，其特征 在于所述楔形板(3)的前端面和后端面分别为圆形和椭圆形，楔形板(3)的横截面为直角 梯形，其中，所述直角梯形的上底的长度等于楔形板(3)较薄端的厚度Lp且l^ = 3mm，所 述直角梯形的下底的长度等于楔形板(3)较厚端的厚度1^，楔形板(3)的前端面的直径为 50mm或80mm，且当所述直径为50mm时，L2 = 3. 5mm或4. Omm，当所述直径为80mm时，L2 = 3. 8mm或4. 6mm。
7. 根据权利要求6所述的带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，其特征在于 所述楔形板(3)的前端面的直径为80mm，较薄端的厚度1^ = 3mm，较厚端的厚度L2 = 4. 6mm， 体积V = 19. lcm3，密度P = 2. 7g/cm3，旋转电机(4)的转速为60rpm。
8. 根据权利要求1所述的带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，其特征在于 所述楔形板(3)的折射率n、倾斜角e与入射激光的发散角e,及激光入射到楔形板(3) 上时的入射角e。满足如下关系arcsin(nXsin[arcsin(sin 9 (/]!)+ 9])卜9一9^2X 9L。
全文摘要
带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，它涉及一种相位共轭镜，它解决了目前传统受激布里渊散射过程中介质存在热吸收严重的问题。带有旋转楔形板的受激布里渊散射相位共轭镜，它包括SBS介质池、聚焦透镜以及SBS介质，所述SBS介质装于SBS介质池中，SBS介质池位于聚焦透镜的像方光路上，它还包括楔形板、旋转电机和连接轴，楔形板位于聚焦透镜的物方光路上，楔形板的中心开有圆孔，连接轴的一端固定连接旋转电机的旋转轴，连接轴的另一端穿过楔形板中心的圆孔并与楔形板固定连接。本发明克服了已有技术的不足，可应用于受激布里渊散射技术领域。
文档编号G02F1/35GK101738816SQ200910217469
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者吕志伟, 李勇, 王雨雷 申请人:哈尔滨工业大学