基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统及方法。它包括顺次放置的激光器、第一偏振片、第一λ/2波片、第一法拉第磁致旋光器、第二偏振片、激光放大器、第三偏振片、第一45°反射镜、第二45°反射镜、第二λ/2波片、第三45°反射镜、第四45°反射镜、第四偏振片、第三λ/2波片、第二法拉第磁致旋光器、第五偏振片、90°旋光器、第一λ/4波片、受激布里渊散射放大池、第二λ/4波片、第六偏振片、正透镜、受激布里渊散射振荡池，第二法拉第磁致旋光器前设有延迟反射镜，第四偏振片的后设有第七偏振片，第三偏振片的后设有第八偏振片。本发明可在保证激光光束质量的前提下，大幅提升激光的输出功率。
【专利说明】基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统及方法。【背景技术】
[0002]受激布里渊散射自从被证明可以用来矫正激光波前畸变以后，就不断地被人们用作相位共轭镜来改善激光光束质量。到目前为止，已经成功发展了多种形式(固体、液体和气体)、多种结构(单池结构、双池结构、独立双池结构)的基于受激布里渊散射的相位共轭镜，其中，受激布里渊散射相位共轭镜的负载承受能力是决定其能否成功应用于实际高能激光系统重要指标。双池结构较单池结构具有更高的负载能力，但由于其种子池中的注入功率无法有效控制，而使其负载能力再一次受到限制。独立双池结构最初是被用作研究受激布里渊散射用于脉冲压缩和受激布里渊散射放大现象的装置而提出来的，但相位共轭镜装置一直以来都没被人们用过，这是由于在此类装置中，泵浦光光路和受激布里渊散射光返回光路是光学隔离的，所以无法使其沿原路返回，无法应用相位共轭的特性，更无法实现激光的双程或者多程放大。
[0003]王雨雷等人设计了一种采用独立双池结构的受激布里渊散射的相位共轭镜(详见:王雨雷，吕志伟，何伟明等，一种大能量受激布里渊散射相位共轭镜的研究，物理学报，56 (2):883-888，(2007))，但是由于其中处于偏振片P1和P2之间的λ/2波片是用来与P1和P2调节光强的，因此从P1输出的双程放大激光仅为总输出的一部分，剩余的部分将会反向注入激光器，这不仅会引入损耗，而且还有可能对激光器造成损坏，尤其是在高功率条件下。因此，设计一种可以有效调节布里渊散射放大池和种子池注入功率、并且在保证相位共轭特性的前提下将激光注入光路和受激布里渊散射光返回光路有效分离的结构显得很有意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统及方法。
[0005]基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统包括顺次放置的激光器、第一偏振片、第一 λ /2波片、第一法拉第磁致旋光器、第二偏振片、激光放大器、第三偏振片、第一 45°反射镜、第二 45°反射镜、第二 λ/2波片、第三45°反射镜、第四45°反射镜、第四偏振片、第三λ/2波片、第二法拉第磁致旋光器、第五偏振片、90°旋光器、第一入/4波片、受激布里渊散射放大池、第二 λ /4波片、第六偏振片、正透镜、受激布里渊散射振荡池，第二法拉第磁致旋光器前设有延迟反射镜，第四偏振片的后设有第七偏振片，第三偏振片的后设有第八偏振片。
[0006]所述的第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片、第六偏振片、第七偏振片、第八偏振片均为布儒斯特角放置。[0007]所述的受激布里渊散射振荡池和受激布里渊散射放大池的介质种类一致，且两者布里渊增益带宽重合；
[0008]受激布里渊散射振荡池和受激布里渊散射放大池为高压气体池、液体池或固体池，高压气体池采用的气体为SF6、CH4或C2F6,液体池采用的液体为CC14、H2O, CS2, FC-72或FC-75，固体池采用的材料为光纤或融石英棒。
[0009]所述的第三偏振片、第一 45°反射镜、第二 45°反射镜、第三45°反射镜、第四45°反射镜、第四偏振片形成的入射光光线路径的长度与所述的第四偏振片、第七偏振片、第八偏振片、第三偏振片形成的受激布里渊散射返回光光线路径长度相等。
[0010]基于独立双池结构相位共轭镜的激光双程放大方法:
[0011]从激光器I输出的初始偏振态为P的激光通过由第一偏振片、第一 λ /2波片、第一法拉第磁致旋光器和第二偏振片组成的光学隔离系统后进入激光放大器进行单程放大，放大后偏振态为P的激光透过第三偏振片，被第一 45°反射镜、第二 45°反射镜反射,然后透过第二 λ/2波片，被第三45°反射镜、第四45°反射镜反射，再透过由第二 λ/2波片与第四偏振片构成的光强调节系统，第二 λ/2波片和第四偏振片用于调节进入受激布里渊散射振荡池和受激布里渊散射放大池的激光能量比例；
[0012]透过光强调节系统的偏振态为P的激光再依次通过第三λ /2波片、第二法拉第磁致旋光器、第五偏振片、90°旋光器、第一 λ/4波片、受激布里渊散射放大池、第二 λ/4波片、第六偏振片和正透镜后会聚进入受激布里渊散射振荡池；
[0013]被第四偏振片反射的偏振态为S的激光则被延迟反射镜和第五偏振片反射后通过90°旋光器、第一 λ/4波片进入受激布里渊散射放大池作为泵浦光，剩余泵浦光通过第二 λ /4波片后被第六偏振片反射出光路；
[0014]从受激布里渊散射振荡池反射回的偏振态为P的受激布里渊散射种子光反向通过正透镜、第六偏振片和第二 λ/4波片，在受激布里渊散射放大池中与泵浦光相互作用，提取泵浦光的能量获得放大，获得放大后的受激布里渊散射种子光通过第一 λ /4波片、90°旋光器、第五偏振片、第二法拉第磁致旋光器和第三λ/2波片,偏振态改变为S ;
[0015]偏振态改变为S的受激布里渊散射种子光被第四偏振片、第七偏振片、第八偏振片和第三偏振片反射后与原光路达到空间重合，再次进入激光放大器进行双程放大，双程放大后的激光被第二偏振片反射出光路。
[0016]本发明与现有技术相比具有的有益效果是:
[0017]①、由于使用的是独立双池结构，所以一方面可以控制进入振荡池的功率而保护其不受损伤，另一方面又可以使返回的斯托克斯种子光全部进入放大池进行放大，进而提升整体效率、由于使用了布里渊放大技术，因此可以获得较高的反射率并提高负载承受能力并扩大整体装置的动态工作范围、通过为入射激光和返回激光分别设置其独立的光路行走路线而避免前人设计系统中由于λ /2波片和偏振片组合造成的功率损失和可能对激光振荡器造成的损伤、对于振荡池和放大池中的功率,可以通过λ/2波片和偏振片组合进行调节；而对于它们的相互作用区域，又可以通过延迟反射镜进行调节，增强了系统器件的灵活性。综上，该装置及方法是一种特殊的相位共轭镜系统，在具有以上优点的同时，更保持了相位共轭镜独特的矫正或者部分矫正激光波前畸变的能力，所以特别适合将其应用于激光二极管泵浦的高重复频率高功率双程或多程激光振荡一放大系统当中，使得 在保证激光光束质量的前提下，大幅提升激光的输出功率，具有重要的实用意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统结构示意图。
[0019]图2是双程放大后输出激光的光束质量M2因子的测量图。
[0020]图3是双程放大后输出激光的光强分布图。
[0021]图4是双程放大后输出激光的时间波形图。
【具体实施方式】
[0022]如图1所示，基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统包括顺次放置的激光器1、第一偏振片2、第一 λ /2波片3、第一法拉第磁致旋光器4、第二偏振片5、激光放大器6、第三偏振片7、第一 45°反射镜8、第二 45°反射镜9、第二 λ/2波片10、第三45°反射镜11、第四45°反射镜12、第四偏振片13、第三λ /2波片14、第二法拉第磁致旋光器15、第五偏振片16、90°旋光器17、第一 λ /4波片18、受激布里渊散射放大池19、第二 λ /4波片20、第六偏振片21、正透镜22、受激布里渊散射振荡池23，第二法拉第磁致旋光器15前设有延迟反射镜24，第四偏振片13的后设有第七偏振片25，第三偏振片7的后设有第八偏振片26。
[0023]所述的第一偏振片2、第二偏振片5、第三偏振片7、第四偏振片13、第五偏振片16、第六偏振片21、第七偏振片25、第八偏振片26均为布儒斯特角放置。
[0024]所述的受激布里渊散射振荡池23和受激布里渊散射放大池19的介质种类一致，且两者布里渊增益带宽重合；
[0025]受激布里渊散射振荡池23和受激布里渊散射放大池19为高压气体池、液体池或固体池，高压气体池采用的气体为SF6XH4或C2F6,液体池采用的液体为CCl4、H20、CS2、FC-72或FC-75，固体池采用的材料为光纤或融石英棒。
[0026]所述的第三偏振片7、第一 45°反射镜8、第二 45°反射镜9、第三45°反射镜11、第四45°反射镜12、第四偏振片13形成的入射光光线路径的长度与所述的第四偏振片13、第七偏振片25、第八偏振片26、第三偏振片7形成的受激布里渊散射返回光光线路径长度相等。
[0027]基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统可以有效地解决独立双池结构不能应用于相位共轭镜的困境，同时由于其将种子池和放大池实现了光学隔离，所以两者互不干扰，通过光强调节机构调节进入种子池的功率，使其安全工作不致损害；双池结构的采用，保证了高反射率和大动态范围工作能力，因此可以工作在高能量高重频条件下。独立双池结构中的受激布里渊散射过程是一种泵浦光场、斯托克斯种子光场以及声场之间相互耦合的非线性过程，旨在利用这种非线性相互作用过程提高斯托克斯种子光的功率，使得整体的独立双池结构受激布里渊散射相位共轭镜具有更好的反射率。
[0028]基于独立双池结构相位共轭镜的激光双程放大方法:
[0029]从激光器I输出的初始偏振态为P的激光通过由第一偏振片2、第一 λ /2波片3、第一法拉第磁致旋光器4和第二偏振片5组成的光学隔离系统后进入激光放大器6进行单程放大，一方面通过抽取激光晶体中的增益获得放大，另一方面激光晶体热效应对光束波前引入畸变，使得激光光束质量下降。具有相位畸变的激光束通过由专门为其设置的光路传播，并使用光强调节机构分成两束，一束穿过受激布里渊散射放大池进入受激布里渊散射振荡池，并在振荡池前通过使用正透镜提高其在振荡池中的功率密度，使其发生受激布里渊散射，提供斯托克斯种子光并后向传输到达放大池；另一路通过延时调节装置进入放大池，与种子池产生的斯托克斯种子光在放大池中进行非线性相互作用，通过受激布里渊放大机制，斯托克斯种子光有效地提取泵浦光中的能量获得放大；
[0030]经过激光放大器6放大后偏振态为P的激光透过第三偏振片7，被第一 45°反射镜8、第二 45°反射镜9反射，然后透过第二 λ/2波片10，被第三45°反射镜11、第四45°反射镜12反射，再透过由第二 λ/2波片10与第四偏振片13构成的光强调节系统，第二λ /2波片10和第四偏振片13用于调节进入受激布里渊散射振荡池23和受激布里渊散射放大池19的激光能量比例；
[0031]透过光强调节系统的偏振态为P的激光再依次通过第三λ /2波片14、第二法拉第磁致旋光器15、第五偏振片16、90°旋光器17、第一 λ/4波片18、受激布里渊散射放大池19、第二 λ /4波片20、第六偏振片21和正透镜22后会聚进入受激布里渊散射振荡池23 ；
[0032]被第四偏振片13反射的偏振态为S的激光则被延迟反射镜24和第五偏振片16反射后通过90°旋光器17、第一 λ/4波片18进入受激布里渊散射放大池19作为泵浦光，剩余泵浦光通过第二 λ /4波片20后被第六偏振片21反射出光路；
[0033]从受激布里渊散射振荡池23反射回的偏振态为P的受激布里渊散射种子光反向通过正透镜22、第六偏振片21和第二 λ /4波片20，在受激布里渊散射放大池19中与泵浦光相互作用，提取泵浦光的能量获得放大，获得放大后的受激布里渊散射种子光通过第一入/4波片18、90°旋光器17、第五偏振片16、第二法拉第磁致旋光器15和第三λ/2波片14，偏振态改变为S ；
[0034]放大后的斯托克斯光通过由λ /2波片、法拉第磁致旋光器以及两块呈布儒斯特角对称放置的偏振片组成的隔离系统后，并由专门为其设置的光路再次注入激光放大器，一方面再次提取激光晶体中的增益，获得放大；另一方面，利用相位共轭特性补偿激光晶体热效应带来的波前畸变，改善光束质量，获得高光束质量高功率的激光输出。偏振态改变为S的受激布里渊散射种子光被第四偏振片13、第七偏振片25、第八偏振片26和第三偏振片7反射后与原光路达到空间重合，再次进入激光放大器6进行双程放大，双程放大后的激光被第二偏振片5反射出光路。
[0035]实施例:
[0036]实验中激光光源为一套Nd = YAG单纵模MOPA激光系统。种子激光器为LD泵浦的电光调Q单纵模激光器，脉冲重复频率最高可达1200Hz，输出功率2.3W、光束质量因子M2〈l.1，脉冲宽度12ns。从种子激光器出射的激光通过扩束装置和光学隔离器系统后进入预放大器进行预放大，预放大后激光功率为25W，光束质量因子M2〈l.7。
[0037]从激光器I输出的初始偏振态为P的激光通过由第一偏振片、第一 λ /2波片、第一法拉第磁致旋光器和第二偏振片组成的光学隔离系统后进入激光放大器进行单程放大。激光放大器采用侧面泵浦的Nd = YAG泵浦头，峰值泵浦功率达2400W，激光晶体直径为6mm，长度150mm，在两个Nd = YAG泵浦头之间加入90°石英旋光器和4f成像系统对其进行热效应补偿。经过单程放大后，激光功率为98W，光束质量因子M2为4.5。[0038]单程放大后偏振态为P的激光透过第三偏振片,被第一 45°反射镜、第二 45°反射镜反射，透过第二 λ/2波片，再被第三45°反射镜、第四45°反射镜反射，第二 λ/2波片与第四偏振片构成光强调节系统，其中透过第四偏振片的偏振态为P的激光功率为26W，被第四偏振片反射的偏振态为S的激光功率为72W。
[0039]透过第四偏振片的偏振态为P的激光依次通过之后的第三λ /2波片、第二法拉第磁致旋光器、第五偏振片、90°旋光器、第一 λ/4波片、受激布里渊散射放大池、第二 λ/4波片、第六偏振片和正透镜后会聚进入受激布里渊散射振荡池。受激布里渊散射振荡池材料为熔石英光纤，芯径600 μ m,长度为30m，25W激光入射时产生的后向受激布里渊散射种子光功率为13W，保真度大于90%。被第四偏振片反射的偏振态为S的激光则被延迟反射镜和第五偏振片反射后通过90°旋光器、第一 λ/4波片进入受激布里渊散射放大池作为泵浦光。受激布里渊散射种子光反向通过受激布里渊散射放大池，与泵浦光相互作用，提取泵浦光的能量，获得放大后的受激布里渊散射光功率达到58W。
[0040]放大后的受激布里渊散射光后向传输又通过第一 λ/4波片、90°旋光器、第五偏振片、第二法拉第磁致旋光器和第三λ /2波片，偏振态改变为S并被第四偏振片、第七偏振片、第八偏振片和第三偏振片反射后再次进入激光放大器，双程放大后的激光被第二偏振片5反射出光路。双程放大后的激光功率达到126W，光束质量因子M2为2.2，测量结果如图2所示。光强分布为圆形，强度分布较为均匀，测量结果如图3所示。脉冲宽度为9ns左右，测量结果如图4所示。
【权利要求】
1.一种基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统，其特征在于包括顺次放置的激光器(I)、第一偏振片(2)、第一 λ/2波片(3)、第一法拉第磁致旋光器(4)、第二偏振片(5)、激光放大器(6)、第三偏振片(7)、第一 45°反射镜(8)、第二 45°反射镜(9)、第二 λ/2波片(10)、第三45°反射镜(11)、第四45°反射镜(12)、第四偏振片(13)、第三λ/2波片(14)、第二法拉第磁致旋光器(15)、第五偏振片(16)、90°旋光器(17)、第一入/4波片(18)、受激布里渊散射放大池(19)、第二 λ/4波片(20)、第六偏振片(21)、正透镜(22)、受激布里渊散射振荡池(23)，第二法拉第磁致旋光器(15)前设有延迟反射镜(24),第四偏振片(13)的后设有第七偏振片(25),第三偏振片(7)的后设有第八偏振片(26)。
2.根据权利要求1所述的一种基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统，其特征在于所述的第一偏振片(2)、第二偏振片(5)、第三偏振片(7)、第四偏振片(13)、第五偏振片(16)、第六偏振片(21)、第七偏振片(25)、第八偏振片(26)均为布儒斯特角放置。
3.根据权利要求1所述的一种基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统，其特征在于所述的受激布里渊散射振荡池(23)和受激布里渊散射放大池(19)的介质种类一致，且两者布里渊增益带宽重合； 受激布里渊散射振荡池(23)和受激布里渊散射放大池(19)为高压气体池、液体池或固体池，高压气体池采用的气体为SF6XH4或C2F6,液体池采用的液体为CCl4、H20、CS2、FC-72或FC-75，固体池采用的材料为光纤或融石英棒。
4.根据权利要求1所述的一种基于共轴放置独立双池相位共轭镜的激光双程放大系统，其特征在于所述的第三.偏振片(7)、第一 45°反射镜(8)、第二 45°反射镜(9)、第三45°反射镜(11)、第四45°反射镜(12)、第四偏振片(13)形成的入射光光线路径的长度与所述的第四偏振片(13)、第七偏振片(25)、第八偏振片(26)、第三偏振片(7)形成的受激布里渊散射返回光光线路径长度相等。
5.一种使用如权利要求1所述系统的基于独立双池结构相位共轭镜的激光双程放大方法，其特征在于: 从激光器(I)输出的初始偏振态为P的激光通过由第一偏振片(2)、第一 λ/2波片(3)、第一法拉第磁致旋光器(4)和第二偏振片(5)组成的光学隔离系统后进入激光放大器(6)进行单程放大，放大后偏振态为P的激光透过第三偏振片(7)，被第一 45°反射镜(8)、第二 45°反射镜(9)反射，然后透过第二 λ/2波片(10)，被第三45°反射镜(11)、第四45°反射镜(12)反射，再透过由第二 λ/2波片(10)与第四偏振片(13)构成的光强调节系统，第二 λ/2波片(10)和第四偏振片(13)用于调节进入受激布里渊散射振荡池(23)和受激布里渊散射放大池(19)的激光能量比例； 透过光强调节系统的偏振态为P的激光再依次通过第三λ/2波片(14)、第二法拉第磁致旋光器(15)、第五偏振片(16)、90°旋光器(17)、第一 λ/4波片(18)、受激布里渊散射放大池(19)、第二 λ/4波片(20)、第六偏振片(21)和正透镜(22)后会聚进入受激布里渊散射振荡池(23)； 被第四偏振片(13)反射的偏振态为S的激光则被延迟反射镜(24)和第五偏振片(16)反射后通过90°旋光器(17)、第一 λ/4波片(18)进入受激布里渊散射放大池(19)作为泵浦光，剩余泵浦光通过第二 λ/4波片(20)后被第六偏振片(21)反射出光路； 从受激布里渊散射振荡池(23)反射回的偏振态为P的受激布里渊散射种子光反向通过正透镜(22)、第六偏振片(21)和第二 λ/4波片(20)，在受激布里渊散射放大池(19)中与泵浦光相互作用，提取泵浦光的能量获得放大，获得放大后的受激布里渊散射种子光通过第一 λ /4波片(18) >90°旋光器(17)、第五偏振片(16)、第二法拉第磁致旋光器(15)和第三λ /2波片(14)，偏振态改变为S ； 偏振态改变为S的受激布里渊散射种子光被第四偏振片(13)、第七偏振片(25)、第八偏振片(26)和第三偏振片(7)反射后与原光路达到空间重合，再次进入激光放大器(6)进行双程放大，双程放大后的激光被第二偏振片(5)反射出光路。
【文档编号】G02F1/35GK103472654SQ201310397027
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】刘崇, 刘斌, 赵智刚, 陈军 申请人:浙江大学