基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置的制作方法

本实用新型涉及光学领域，具体涉及一种基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置。

背景技术：

柱对称矢量光束包括径向偏振光和角向偏振光，它们在焦点附近具有较强的纵向偏振光场分量，因而能够得到很小的焦斑，在高分辨率成像、光操控和数据存储等领域有广泛的应用，以往的研究多数集中在弱光。在激光加工、惯性约束聚变等高功率激光应用领域，具有小焦斑尺寸的单纵模窄脉冲矢量光束日益受到关注。然而，诸如基于自旋-轨道耦合的q波片、超材料等产生矢量光束的器件损伤阈值很低，无法应用到高功率激光系统中。采用光放大技术有望解决这一问题，然而对于亚纳米量级单纵模脉冲，激光放大技术效率很低，难以得到理想的高功率单纵模窄脉冲柱对称矢量光束；光参量放大方法则需要特殊的泵浦源，且系统更为复杂。

技术实现要素：

为了解决现有柱对称矢量光束产生装置损伤阈值低，无法产生高功率单纵模窄脉冲柱对称矢量光束的问题，本实用新型提出了一种基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置。

鉴于此，本实用新型提供了一种基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置，该装置包括：矢量光束产生器件、光阑、第一非线性介质池、第一二分之一波片、第二二分之一波片、50:50消偏振分光平片、第一全反镜、Nd:YAG激光器、第三二分之一波片、第一偏振分束器、第二全反镜、第二非线性介质池、透镜、第三四分之一波片和第二偏振分束器，其中，所述第一非线性介质池与所述第二非线性介质池中的非线性介质相同；沿所述Nd:YAG激光器出射光路方向依次设有所述第三二分之一波片和所述第一偏振分束器，使得所述Nd:YAG激光器产生的P偏振高斯型光束经由所述第三二分之一波片和所述第一偏振分束器分为第一S偏振反射光束和第一P偏振透射光束；所述第二偏振分束器、所述第三四分之一波片、所述透镜和所述第二非线性介质池作为种子产生单元，以使从所述第一偏振分束器出射的所述第一S偏振反射光束经由所述第二偏振分束器反射后依次通过所述第三四分之一波片和所述透镜而入射至所述第二非线性介质池，并使得从所述第二非线性介质池产生的具有布里渊频移的高斯型种子光束依次经过所述透镜和所述第三四分之一波片后变为P偏振高斯型种子光束，该P偏振高斯型种子光束经所述第二偏振分束器透射后，经所述矢量光束产生器件转换为柱对称矢量种子光束，再经光阑后垂直入射至所述第一非线性介质池的第一端面，且所述柱对称矢量种子光束从所述第一非线性介质池的第二端面出射，所述第一非线性介质池的第一端面与第二端面平行设置；沿所述第一偏振分束器的透射光路方向设有第二全反镜，使得所述第一P偏振透射光束经所述第二全反镜反射后入射至所述50:50消偏振分光平片而分为第二反射光束和第二透射光束；沿所述第二全反镜的反射光路方向设有所述第一二分之一波片，使得所述第二反射光束经由所述第一二分之一波片后作为第一泵浦光束入射至所述第一非线性介质池的第二端面，其中，所述第一泵浦光束与所述柱对称矢量种子光束在所述第一非线性介质池中相交且具有夹角θ；沿所述第二全反镜的透射光路方向设有所述第二二分之一波片，使得所述第二透射光束经由所述第二二分之一波片后作为第二泵浦光束入射至所述第一非线性介质池的第二端面，其中，所述第二泵浦光束与所述柱对称矢量种子光束在所述第一非线性介质池中相交且具有夹角θ。

进一步地，沿所述第二全反镜的反射光路方向、在所述第一二分之一波片与所述第一非线性介质池的第二端面之间还设有第一四分之一波片，使得所述第二反射光束依次经由所述第一二分之一波片和所述第一四分之一波片后作为所述第一泵浦光束入射至所述第一非线性介质池的第二端面；沿所述第二全反镜的透射光路方向、在所述第二二分之一波片与所述第一非线性介质池的第二端面之间还设有第二四分之一波片，使得所述第二透射光束依次经由所述第二二分之一波片和所述第二四分之一波片后作为所述第二泵浦光束入射至所述第一非线性介质池的第二端面。

进一步地，θ为1°～30°。

进一步地，沿所述柱对称矢量种子光束从所述第一非线性介质池的出射光路方向上设有偏振层析装置，所述偏振层析装置包括第四四分之一波片、第四二分之一波片、第三偏振分束器、第一光电探测器和第二光电探测器，以使所述柱对称矢量种子光束从所述第一非线性介质池的第二端面出射后，经过所述第四四分之一波片和所述第四二分之一波片后入射至所述第三偏振分束器而分为第三反射光束和第三透射光束，其中，所述第三反射光束经所述第三偏振分束器反射后入射至所述第一光电探测器，而所述第三透射光束经所述第三偏振分束器透射后入射至所述第二光电探测器。

进一步地，所述矢量光束产生器件为空间光调制器、q波片或径向偏振转换器。

进一步地，所述第一非线性介质池与所述第二非线性介质池中的非线性介质为透明液体、气体或固体。

相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置，其基于受激布里渊散射(SBS)的光脉冲放大技术，具有如常规的气体、液体和等离子体等SBS介质具有较高的损伤阈值等诸多优势，且适合于激光组束。利用受激布里渊放大产生高功率单纵模窄脉冲柱对称矢量光束，能够获得百皮秒高峰值功率焦斑，在聚变点火装置上将发挥巨大作用。

此外，本实用新型与以往的基于受激布里渊散射的非共线串行组束(如基于受激布里渊散射的非共线串行组束方法及装置，公开号：CN104678559A)不同，非共线串行组束要求多束泵浦光之间偏振状态相同，且与种子光的偏振状态相同，要么是线偏振或圆偏振。而本实用新型是基于柱对称矢量种子光束的特点，要求两束泵浦光的偏振状态正交，即一束为水平偏振，另一束为垂直偏振，或者一束为左旋圆偏振光，另一束为右旋圆偏振光。

附图说明

图1为示出本实用新型的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置的一种可能结构的示意图；

图2为示出本实用新型的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置的另一种可能结构的示意图；

图3为示出本实用新型的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置的又一种可能结构的示意图；

图4为示出本实用新型的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置的又一种可能结构的示意图；

图5为输出能量随单路泵浦能量的变化关系示意图；

图6和图7为输出脉冲的光斑图像和偏振层析的示意图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本实用新型实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本实用新型的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

本实用新型的实施例提供了一种基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置，该装置包括：矢量光束产生器件、光阑、第一非线性介质池、第一二分之一波片、第二二分之一波片、50:50消偏振分光平片、第一全反镜、Nd:YAG激光器、第三二分之一波片、第一偏振分束器、第二全反镜、第二非线性介质池、透镜、第三四分之一波片和第二偏振分束器，其中，第一非线性介质池与第二非线性介质池中的非线性介质相同；沿Nd:YAG激光器出射光路方向依次设有第三二分之一波片和第一偏振分束器，使得Nd:YAG激光器产生的P偏振高斯型光束经由第三二分之一波片和第一偏振分束器分为第一S偏振反射光束和第一P偏振透射光束；第二偏振分束器、第三四分之一波片、透镜和第二非线性介质池作为种子产生单元，以使从第一偏振分束器出射的第一S偏振反射光束经由第二偏振分束器反射后依次通过第三四分之一波片和透镜而入射至第二非线性介质池，并使得从第二非线性介质池产生的具有布里渊频移的高斯型种子光束依次经过透镜和第三四分之一波片后变为P偏振高斯型种子光束，该P偏振高斯型种子光束经第二偏振分束器透射后，经矢量光束产生器件转换为柱对称矢量种子光束，再经光阑后垂直入射至第一非线性介质池的第一端面，且柱对称矢量种子光束从第一非线性介质池的第二端面出射，第一非线性介质池的第一端面与第二端面平行设置；沿第一偏振分束器的透射光路方向设有第二全反镜，使得第一P偏振透射光束经第二全反镜反射后入射至50:50消偏振分光平片而分为第二反射光束和第二透射光束；沿第二全反镜的反射光路方向设有第一二分之一波片，使得第二反射光束经由第一二分之一波片后作为第一泵浦光束入射至第一非线性介质池的第二端面，其中，第一泵浦光束与柱对称矢量种子光束在第一非线性介质池中相交且具有夹角θ；沿第二全反镜的透射光路方向设有第二二分之一波片，使得第二透射光束经由第二二分之一波片后作为第二泵浦光束入射至第一非线性介质池的第二端面，其中，第二泵浦光束与柱对称矢量种子光束在第一非线性介质池中相交且具有夹角θ。

下面，结合附图来分别描述本实用新型的各个具体实施例。

具体实施例一：结合图1说明本具体实施例。如图1所示，本实施例的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置包括矢量光束产生器件1、光阑2、第一非线性介质池3、第一二分之一波片6、第二二分之一波片7、50:50消偏振分光平片8、第一全反镜9、Nd:YAG激光器15、第三二分之一波片16、第一偏振分束器17、第二全反镜18、第二非线性介质池19、透镜20、第三四分之一波片21和第二偏振分束器22。

其中，第一非线性介质池3与第二非线性介质池19中的非线性介质相同，该非线性介质例如可以是透明液体、气体或固体。

如图1所示，沿Nd:YAG激光器15出射光路方向依次设有第三二分之一波片16和第一偏振分束器17，使得Nd:YAG激光器15产生的P偏振(即水平偏振态)高斯型光束经由第三二分之一波片16和第一偏振分束器17分为第一S偏振(即垂直偏振态)反射光束(即图1中从第一偏振分束器17向下反射的光束)和第一P偏振透射光束(即图1中从第一偏振分束器17向左透射的光束)。

第二偏振分束器22、第三四分之一波片21、透镜20和第二非线性介质池19作为种子产生单元，以使从第一偏振分束器17出射的第一S偏振反射光束经由第二偏振分束器22反射后依次通过第三四分之一波片21和透镜20而入射至第二非线性介质池19，并使得从第二非线性介质池19产生的具有布里渊频移的高斯型种子光束依次经过透镜20和第三四分之一波片21后变为P偏振高斯型种子光束，该P偏振高斯型种子光束经第二偏振分束器22透射后，经矢量光束产生器件1转换为柱对称矢量种子光束，再经光阑2后垂直入射至第一非线性介质池3的第一端面(即图1中的第一非线性介质池3的右侧端面)，且柱对称矢量种子光束从第一非线性介质池3的第二端面(即图1中的第一非线性介质池3的左侧端面)出射，第一非线性介质池3的第一端面与第二端面平行设置。

其中，矢量光束产生器件1例如可以为空间光调制器、q波片或径向偏振转换器。

此外，沿第一偏振分束器17的透射光路方向设有第二全反镜18，使得第一P偏振透射光束经第二全反镜18反射后入射至50:50消偏振分光平片8而分为第二反射光束(即图1中从50:50消偏振分光平片8向右反射的光束)和第二透射光束(即图1中从50:50消偏振分光平片8向下透射的光束)。

其中，沿第二全反镜18的反射光路方向设有第一二分之一波片6，使得第二反射光束经由第一二分之一波片6后作为第一泵浦光束入射至第一非线性介质池3的第二端面，其中，第一泵浦光束与柱对称矢量种子光束在第一非线性介质池3中相交且具有夹角θ，第一泵浦光束从第一非线性介质池3的第一端面出射后被光阑2阻止。

此外，沿第二全反镜18的透射光路方向设有第二二分之一波片7，使得第二透射光束经由第二二分之一波片7后作为第二泵浦光束入射至第一非线性介质池3的第二端面，其中，第二泵浦光束与柱对称矢量种子光束在第一非线性介质池3中相交且具有夹角θ，第二泵浦光束从第一非线性介质池3的第一端面出射后被光阑2阻止。

本实施例工作原理：

Nd:YAG激光器15发出的高能量单纵模的水平偏振态(即P偏振)高斯型种子光束，经第三二分之一波片16、第一偏振分束器17分为两路，透射的一路(即第一P偏振透射光束)用于产生双泵浦，而反射的一路(即第一S偏振反射光束)用来产生SBS种子光，这样，SBS种子光和双泵浦之间具有布里渊频移，以发生受激布里渊放大。

一方面，第一S偏振反射光束经由第二偏振分束器22反射后，再经第三四分之一波片21将其偏振态从S偏振转换为圆偏振，然后通过透镜20会聚到第二非线性介质池19，进而产生高斯型种子光束，该高斯型种子光束再沿第一S偏振反射光束的反向输出，依次经过透镜20和第三四分之一波片21后，偏振态从圆偏振转换为P偏振，并透过第二偏振分束器22后入射至矢量光束产生器件1。这样，通过矢量光束产生器件1将入射的P偏振高斯型种子光束转换为柱对称矢量种子光束，再经光阑2进入第一非线性介质池3中。

另一方面，第一P偏振透射光束依次经第二全反镜18和50:50消偏振分光平片8后，通过50:50消偏振分光平片8分为反射光束(即第二反射光束)和透射光束(即第二透射光束)。其中，第二反射光束用于产生第一泵浦光束，而第二透射光束用于产生第二泵浦光束。

如图1所示，第二反射光束相对于柱对称矢量种子光束以角度θ(θ例如为1°～30°范围内的任意角)传播，其经第一二分之一波片6将偏振态调整为S偏振，作为第一泵浦光束斜入射到第一非线性介质池3；第二透射光束经第一全反镜9反射，同样相对于柱对称矢量种子光束以角度θ传播，经第二二分之一波片7将偏振态调整为P偏振，作为第二泵浦光束。其中，相对于柱对称矢量种子光束，第一泵浦光束和第二泵浦光束以对称的角度θ进入第一非线性介质池3，分别和柱对称矢量种子光束中水平偏振分量和垂直偏振分量发生受激布里渊放大作用(即第一泵浦光束对柱对称矢量种子光束中垂直偏振分量，而第二泵浦光束对柱对称矢量种子光束中水平偏振分量进行放大)，从而获得高功率柱对称矢量光束。

需要说明的是，柱对称矢量光束包括径向偏振光、角向偏振光和混合偏振光，这里以径向偏振光为例来描述高功率单纵模窄脉冲柱对称矢量光束的产生原理，另外几种柱对称矢量光束的产生机制可参考该描述，这里不再详述。在该实施例中，径向偏振光可分解为两个正交线偏振，即水平和垂直(H+V)HG模，即利用本实施例的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置来放大径向偏振光，即采用具有相同能量的一对水平和垂直线偏振光(H+V)作为泵浦光，从而满足相位匹配条件实现放大，结合单纵模窄脉冲激光光源，可以获得高功率单纵模窄脉冲柱对称矢量光束。

具体实施例二：结合图2说明本具体实施例。本实施例的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置，与具体实施例一不同之处在于，本实施例的上述产生装置还包括第一四分之一波片4和第二四分之一波片5。

在如图2所示的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置中，沿第二全反镜18的反射光路方向、在第一二分之一波片6与第一非线性介质池3的第二端面之间还设有第一四分之一波片4，使得第二反射光束依次经由第一二分之一波片6和第一四分之一波片4后作为第一泵浦光束入射至第一非线性介质池3的第二端面；此外，沿第二全反镜18的透射光路方向、在第二二分之一波片7与第一非线性介质池3的第二端面之间还设有第二四分之一波片5，使得第二透射光束依次经由第二二分之一波片7和第二四分之一波片5后作为第二泵浦光束入射至第一非线性介质池3的第二端面。

本实施例工作原理与具体实施例一不同之处在于，在本实施例中，第一P偏振透射光束依次经第二全反镜18和50:50消偏振分光平片8而分为第二反射光束和第二透射光束后，不仅分别经过了一个二分之一波分6或7的作用，还分别经过了一个四分之一波片4或5作用，使得进入第一非线性介质池3的第一泵浦光束和第二泵浦光束的偏振态分别为左旋圆偏振和右旋圆偏振(或分别为右旋圆偏振和左旋圆偏振)。

具体而言，如图2所示，从50:50消偏振分光平片8反射出射的第二反射光束相对于柱对称矢量种子光束以角度θ传播，其经第一二分之一波片6将偏振态调整为S偏振，再经第一四分之一波片4将偏振态调整为例如左旋圆偏振，作为第一泵浦光束；类似地，从50:50消偏振分光平片8透射出射的第二透射光束经第二二分之一波片7和第二四分之一波片5后将偏振态调整为例如右旋圆偏振，作为第二泵浦光束。这样，相对于柱对称矢量种子光束，第一泵浦光束和第二泵浦光束以对称的角度θ进入第一非线性介质池3，分别和柱对称矢量种子光束中左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量发生受激布里渊放大作用(即第一泵浦光束对柱对称矢量种子光束中左旋圆偏振分量，而第二泵浦光束对柱对称矢量种子光束中右旋圆偏振分量进行放大)，从而获得高功率柱对称矢量光束。

在该实施例中，径向偏振光可以分解为两个具有相反拓扑荷的左旋和右旋圆偏振LG模的叠加，即利用本实施例的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置来放大径向偏振光，即采用具有相同能量的一对左旋和右旋圆偏振光(L+R)作为泵浦光，从而满足相位匹配条件实现放大，结合单纵模窄脉冲激光光源，可以获得高功率单纵模窄脉冲柱对称矢量光束。

需要说明的是，若在其他例子中，当第一泵浦光束的偏振态为右旋圆偏振、而第二泵浦光束的偏振态为左旋圆偏振时，则是第一泵浦光束对柱对称矢量种子光束中右旋圆偏振分量，而第二泵浦光束对柱对称矢量种子光束中左旋圆偏振分量进行放大。

具体实施例三：本实施例的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置与具体实施例一至二的区别在于，所述矢量光束产生器件1为q＝0.5的q波片。

具体实施例四：本实施例的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置与具体实施例一至三的区别在于，所述第一非线性介质池3为填充了FC-72的长度为10cm-30cm介质。

具体实施例五：结合图3-7说明本具体实施例。本实施例的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置与具体实施例一至四的区别在于，本实施例还包括偏振层析装置，偏振层析装置同轴设置在第一非线性介质池3的种子光出射光路上。

其中，在上文中结合图1所描述的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置中加入上述偏振层析装置后，结构图可如图3所示；而在上文中结合图2所描述的基于受激布里渊放大产生高功率柱对称矢量光束的装置中加入上述偏振层析装置后，结构图可如图4所示。

如图3和图4所示，沿柱对称矢量种子光束从第一非线性介质池3的出射光路方向上设有偏振层析装置，偏振层析装置包括第四四分之一波片10、第四二分之一波片11、第三偏振分束器12、第一光电探测器13(如CCD)和第二光电探测器14(如CCD)，以使柱对称矢量种子光束从第一非线性介质池3的第二端面出射后，经过第四四分之一波片10和第四二分之一波片11后入射至第三偏振分束器12而分为第三反射光束和第三透射光束。其中，第三反射光束经第三偏振分束器12反射后入射至第一光电探测器13，而第三透射光束经第三偏振分束器12透射后入射至第二光电探测器14。这样，通过第一光电探测器13和第二光电探测器14，可以分析高功率柱对称矢量光束的偏振特性。

在一个实际例子中，激光器输出例如为250mJ、700ps脉冲，输出光一部分会聚到SBS池中产生300ps单纵模水平偏振Stokes频移种子光，该种子光通过q＝0.5的q波片产生柱对称矢量种子光束，种子光的最高能量设定为20mJ，这是q波片在1064nm激光条件下所能承受的。具有和矢量种子光束两个偏振分量对应的700ps高斯泵浦光束和种子脉冲在包含FC-72的10cm-30cm介质中发生相互作用。

此外，种子光能量例如分别为5mJ、10mJ和20mJ。两个泵浦能量设为从10mJ到100mJ。图5为输出能量随一路泵浦能量的变化关系，其中，“泵浦-1”表示仅有第一泵浦光束输入的结果，“全部”表示第一泵浦光束和第二泵浦光束同时输入的结果。结果表明，总输出能量随着输入泵浦能量的增加而增加，在相同泵浦能量下种子能量越高从泵浦光抽取的能量越高。图5中左上角嵌入的小图表明当输入泵浦能量为100mJ*2时平均输出的总能量。可以看出，当输入20mJ种子时可以获得100mJ、300ps单纵模矢量脉冲，对应于功率密度4.6GW/cm²。

图6和图7中的c1和f1分别是泵浦光为线偏振和圆偏振时，获得的放大种子光的光斑图像，利用偏振层析装置，分别在水平偏振、垂直偏振、左旋和右旋偏振方向上投影，得到c2、c3、c4和c5，以及f2、f3、f4和f5所示的光斑，可以看出，两路泵浦同时输入的情况下，输出脉冲为径向矢量光束。因此，该方法能够获得偏振纯度较高的柱对称矢量光束。

尽管根据有限数量的实施例描述了本实用新型，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本实用新型的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本实用新型的范围，对本实用新型所做的公开是说明性的，而非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求书限定。