一种基于级联受激散射的激光器的制作方法

本申请属于非线性光学技术领域，特别是涉及一种基于级联受激散射的激光器。

背景技术：

受激散射(包括SBS和SRS)是获得高能量窄脉冲的一种重要技术手段，包括受激布里渊散射和受激拉曼散射两种类型，SRS效应不但具有良好的方向性、脉冲压缩特性，且相对于SBS效应而言，不仅能够实现对脉宽的压缩，还可以实现波长转换，对不同的散射介质可以得到不同的多重频谱，一直都是人们关注和研究的热点。针对SRS介质而言，受激拉曼散射选用介质一般为固体和气体，二者各自具有不同的优缺点，固体拉曼散射介质虽然具有很高的增益系数，但是其受到热损伤阈值的限制，在激光功率超过SRS阈值的条件下，固体介质极易发生热熔融损伤；所以气体介质是高能激光进行拉曼散射最合适的选择，但是相对于固体介质而言，气体受激拉曼散射的增益系数比较小，因此如果要达到其SBS阈值，就需要很大的泵浦光峰值功率。

传统激发气体受激拉曼散射的方法主要是通过高能调Q脉冲激光直接泵浦，这就对泵浦光光源的峰值功率有着极高的要求，对应所需要的高功率激光器成本价值很高，而为了避免这一问题，人们发现可以通过调控介质池内气体介质的温度和气压等物理性质，改变气体分子内部运动特性从而人为控制增加其SRS增益系数，进而降低产生SRS效应的阈值，放宽其对激光的限制。但是对于固定的气体介质而言，通过改变其物理性质调控气体增益系数，其变化不是很大，仍然对泵浦光功率有着较高的要求。考虑到受激布里渊散射具有压缩脉宽，提高峰值功率的特性，且能量为几十毫焦的单脉冲激光就已经可以开始引发氟碳类液体介质的受激布里渊散射。基于SBS效应得到的散射光由于具有良好的方向性和相位共轭性等特点，用此方法获得的脉冲相比于传统脉冲输出的脉冲具有更高的稳定性。低功率脉冲激光经过受激布里渊散射后其脉宽被压缩，脉冲峰值功率得到提高，所得到的新种子光达到SRS阈值后可用于做受激拉曼散射的泵浦源，去激发SRS效应，最终得到利用受激拉曼散射技术压缩脉宽后的脉冲光输出。

现有的气体拉曼激光器通过SBS聚焦单池组件将泵浦光脉宽压缩，提高峰值功率从而去激发受激拉曼散射的方法也有报道，但是SBS聚焦单池组件仅仅能够对泵浦光进行一次压缩，提高光峰值功率的幅度不是很明显，仍然需要较高的初始泵浦能量，对泵浦源激光功率有着较高的要求。而且只经过一次SBS和一次SRS效应，其最后得到的输出光压缩比不是很理想，压缩效率较低。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

基于现有的气体拉曼激光器通过SBS聚焦单池组件将泵浦光脉宽压缩，提高峰值功率从而去激发受激拉曼散射的方法也有报道，但是SBS聚焦单池组件仅仅能够对泵浦光进行一次压缩，提高光峰值功率的幅度不是很明显，仍然需要较高的初始泵浦能量，对泵浦源激光功率有着较高的要求。而且只经过一次SBS和一次SRS效应，其最后得到的输出光压缩比不是很理想，压缩效率较低的问题，本申请提供了一种基于级联受激散射的激光器。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种基于级联受激散射的激光器，包括第一受激散射部、第二受激散射部、第三受激散射部和光输出部；

所述第一受激散射部包括依次排列的脉冲激光器和受激布里渊散射紧凑双池组件，所述受激布里渊散射紧凑双池组件包括第一检偏器；

所述第二受激散射部设置于所述第一检偏器下方，所述第二受激散射部包括依次排列的第一行波放大器和受激布里渊散射聚焦单池组件，所述受激布里渊散射聚焦单池组件包括第二检偏器；

所述第三受激散射部设置于所述第二检偏器下方，所述第三受激散射部包括依次排列的第二行波放大器和受激拉曼散射聚焦单池组件，所述受激拉曼散射聚焦单池组件包括第三检偏器；

所述光输出部设置于所述第三检偏器下方，所述光输出部包括第三行波放大器。

可选地，所述第一行波放大器设置于所述所述第一检偏器下方；

所述第二行波放大器设置于所述第二检偏器下方；

所述第三行波放大器第三检偏器。

可选地，所述第二受激散射部与所述第一受激散射部垂直设置，所述第三受激散射部与所述第二受激散射部垂直设置，所述光输出部与所述第三受激散射部垂直设置。

可选地，所述第二受激散射部包括第一光路调节组件，所述第一光路调节组件设置于所述第一检偏器下方，所述第一光路调节组件排列于所述第一行波放大器前方；

所述第三受激散射部包括第二光路调节组件，所述第二光路调节组件设置于所述第二检偏器下方，所述第二光路调节组件排列于所述第二行波放大器前方；

所述光输出部包括第三光路调节组件，所述第三光路调节组件设置于所述第三检偏器下方，所述第三光路调节组件排列于所述第三行波放大器前方。

可选地，所述第一光路调节组件为反射镜，所述第二光路调节组件为反射镜，所述第三光路调节组件为反射镜。

可选地，所述第一受激散射部、与所述第二受激散射部平行设置，所述第二受激散射部与所述第三受激散射部平行设置，所述第三受激散射部与所述光输出部平行设置。

可选地，所述光输出部还包括光束检测装置，所述光束检测装置排列于所述第三行波放大器后方。

可选地，所述受激布里渊散射紧凑双池组件包括依次排列的第一1/2波片、所述第一检偏器、第一1/4波片、第一凸透镜、受激布里渊散射产生池和第一受激布里渊散射放大池。

可选地，所述受激布里渊散射聚焦单池组件包括依次排列的第二1/2波片、所述第二检偏器、第二1/4波片、第二凸透镜和第二受激布里渊散射放大池。

可选地，所述受激拉曼散射聚焦单池组件包括依次排列的第三1/2波片、所述第三检偏器、第三1/4波片、第三凸透镜和受激拉曼散射气体池。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的基于级联受激散射的激光器的有益效果在于：

本申请提供的基于级联受激散射的激光器，通过设置SBS(受激布里渊散射)紧凑双池组件、SBS聚焦单池组件、SRS(受激光拉曼散射)聚焦单池组件，在每一级组件中，通过检偏器的p偏振光经1/4波片后变成圆偏振光，通过相应介质池引发受激散射后背向传播经过1/4波片后由圆偏振光转换成s偏振光，每一个组件产生的输出种子光都作为下一级组件的激励源，每两个组件之间都通过反射镜调节光路，并经行波放大器进行脉冲能量放大，最后将经过受激拉曼散射后得到的光束再次通过第二个行波放大器放大，得到高能量的变频窄脉冲输出光。该装置具有易操作、成本低廉、实用性强等优点。

本申请利用受激布里渊散射和受激拉曼散射相结合的方式，本申请通过采用级联泵浦的方法(将每一次压缩后的脉冲都作为下一次压缩的泵浦源)，将由激光器泵浦源泵浦出的长脉宽低功率的脉冲激光先经过紧凑双池布里渊散射脉冲压缩两级放大系统，进行两次布里渊散射，将低功率脉冲进行二次脉宽压缩并且将得到的种子光经过行波放大器放大，提高其峰值功率进而得到高能量短脉冲，在每一次种子光射入介质池引发受激散射之前，都经由行波放大器放大，使非线性效应得到了显著增强，受激散射效率得到了提高。这样所得到的窄脉冲高功率的种子光足以作为激发气体受激拉曼散射的泵浦源，并且通过受激拉曼散射实现进一步频率转换和压缩脉宽，并将所得的散射光再次由行波放大器进行放大，最终能够得到具有极高压缩比的窄脉冲变频激光输出。

附图说明

图1是本申请的基于级联受激散射的激光器整体组件示意图；

图中：1-脉冲激光器、2-受激布里渊散射紧凑双池组件、3-第一1/2波片、4-第一检偏器、5-第一1/4波片、6-第一凸透镜、7-受激布里渊散射产生池、8-第一受激布里渊散射放大池、9-第一光路调节组件、10-第一行波放大器、11-受激布里渊散射聚焦单池组件、12-第二1/2波片、13-第二检偏器、14-第二1/4波片、15-第二凸透镜、16-第二受激布里渊散射放大池、17-第二光路调节组件、18-第二行波放大器、19-受激拉曼散射聚焦单池组件、20-第三1/2波片、21-第三检偏器、22-第三1/4波片、23-第三凸透镜、24-受激拉曼散射气体池、25-第三光路调节组件、26-第三行波放大器、27-检测装置。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

超短脉冲激光在芯片制造、生物医学、激光雷达、光通讯等领域都有着广泛的应用。利用激光脉宽压缩技术获得高质量短脉冲激光成为近些年的研究热点。通过压缩脉宽技术来获得短脉冲激光，能够突破激光器的局限性，在获得更高质量，脉宽更窄的短脉冲激光的同时，激光输出的稳定性也能够得到保证。常用的脉宽压缩技术包括光纤光栅对脉宽压缩、孤子效应对脉宽压缩、交叉相位调制对脉宽压缩、以及利用受激散射压缩技术等等。其中通过受激散射(包括SBS和SRS)这种非线性效应压缩脉宽，具有装置简单易操作，以及很高的压缩比和能量转换效率，工程造价低的特性。

泵浦(英文名称：pumping)是指给激光工作物质提供能量使其形成粒子数反转的过程。

受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering)也称声子散射，phonon scattering。受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。可以利用受激布里渊散射研究材料的声学特性和弹性力学特性。

非线性效应是指强光作用下由于介质的非线性极化而产生的效应，包括光学谐波，倍频，受激拉曼散射，双光子吸收，饱和吸收，自聚焦，自散焦等。光纤中的非线性效应包括:散射效应(受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS等)、与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关(自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频效应FWM)，其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重。

参见图1，本申请提供一种基于级联受激散射的激光器，其特征在于：包括第一受激散射部、第二受激散射部、第三受激散射部和光输出部；

所述第一受激散射部包括依次排列的脉冲激光器1和受激布里渊散射紧凑双池组件2，所述受激布里渊散射紧凑双池组件2包括第一检偏器4；

所述第二受激散射部设置于所述第一检偏器4下方，所述第二受激散射部包括依次排列的第一行波放大器10和受激布里渊散射聚焦单池组件11，所述受激布里渊散射聚焦单池组件11包括第二检偏器13；

所述第三受激散射部设置于所述第二检偏器13下方，所述第三受激散射部包括依次排列的第二行波放大器18和受激拉曼散射聚焦单池组件19，所述受激拉曼散射聚焦单池组件19包括第三检偏器21；

所述光输出部设置于所述第三检偏器21下方，所述光输出部包括第三行波放大器26。

脉冲激光器1为Nd:YAG脉冲固体激光器，采用加压式电光调Q，输出波长1064nm，脉冲宽度8ns，单脉冲能量200mJ的s偏振光，出射光束直径ф7mm，发散角为3mrad；

行波放大器，由泵源半导体bar条叠阵，柱面透镜和Nd:YAG晶体棒组成，三者组成简易聚焦腔，其中Nd:YAG晶体棒半径为2.5mm，长度为30mm。半导体bar条之间间距0.5mm，轴向发散角为45°。

进一步地，所述第一行波放大器10设置于所述所述第一检偏器4下方；

所述第二行波放大器18设置于所述第二检偏器13下方；

所述第三行波放大器26第三检偏器21。

进一步地，所述第二受激散射部与所述第一受激散射部垂直设置，所述第三受激散射部与所述第二受激散射部垂直设置，所述光输出部与所述第三受激散射部垂直设置。

这种排布方式是所有器件的一种，当然排布方式并不局限于这一种。

进一步地，所述第二受激散射部包括第一光路调节组件9，所述第一光路调节组件9设置于所述第一检偏器4下方，所述第一光路调节组件9排列于所述第一行波放大器10前方；

所述第三受激散射部包括第二光路调节组件17，所述第二光路调节组件17设置于所述第二检偏器13下方，所述第二光路调节组件17排列于所述第二行波放大器18前方；

所述光输出部包括第三光路调节组件25，所述第三光路调节组件25设置于所述第三检偏器21下方，所述第三光路调节组件25排列于所述第三行波放大器26前方。

通过光路调节组件改变光的传播方向，使得各器件更加紧凑，节省空间。

进一步地，所述第一光路调节组件9为反射镜，所述第二光路调节组件17为反射镜，所述第三光路调节组件25为反射镜。

每一个组件产生的种子光都作为下一级组件的泵浦源，由SBS紧凑双池组件2所得到的压缩种子光通过第一反射镜调节光路，并由第一行波放大器10进行能量放大后射入SBS聚焦单池组件11进行第二次压缩，将其得到的种子光通过第二反射镜调节光路，并由第二行波放大器18进行能量放大后射入SRS聚焦单池组件19，最后得到经过受激拉曼散射后的变频压缩脉冲输出。

第一光路调节组件9和第二光路调节组件17为平面反射镜，其放置角度应该使入射光与反射光呈90°夹角，平面反射镜采用K9玻璃制造，平面反射镜尺寸为ф40mm，平面反射镜反射面镀全反射膜HR@1064nm。

进一步地，所述第一受激散射部、与所述第二受激散射部平行设置，所述第二受激散射部与所述第三受激散射部平行设置，所述第三受激散射部与所述光输出部平行设置。

如图1所示，这种排布方式为最佳。

进一步地，所述光输出部还包括光束检测装置27，所述光束检测装置27排列于所述第三行波放大器26后方。

光束检测装置应该包括能量计、功率计、示波器等对出射激光进行波长频移、压缩后脉宽以及能量探测。

进一步地，所述受激布里渊散射紧凑双池组件2包括依次排列的第一1/2波片3、所述第一检偏器4、第一1/4波片5、第一凸透镜6、受激布里渊散射产生池7和第一受激布里渊散射放大池8。

进一步地，所述受激布里渊散射聚焦单池组件11包括依次排列的第二1/2波片12、所述第二检偏器13、第二1/4波片14、第二凸透镜15和第二受激布里渊散射放大池16。

进一步地，所述受激拉曼散射聚焦单池组件19包括依次排列的第三1/2波片20、所述第三检偏器21、第三1/4波片22、第三凸透镜23和受激拉曼散射气体池24。

半波片为云母片，并对出射的偏振激光进行旋转调节。将激光器射出的s偏振光变成P偏振光。

检偏器放置角度应该使透射光和反射光呈90°夹角，并与1/4波片组成隔离器，防止后向散射的斯托克斯光射入到泵浦源激光其中。

各个组件中的1/4波片应该与激光出射轴线呈45°夹角，让通过检偏器入射的P偏振光变成圆偏振光，经过散射后所得的圆偏振光变成S偏振光。

双凸透镜应放置于对应的受激散射介质池前，将光束汇聚到介质池中。其中SBS产生池前防止短焦透镜，焦距为40mm，SBS放大池前采用长焦透镜，焦距100mm，SRS气体池前透镜焦距为150mm。

SBS介质池，包括产生池和放大池，所用材料为石英玻璃，两端为光学玻璃窗口，其产生池长度为80mm，放大池长度为100mm，内径均为25mm。其池内充满SBS氟碳类液体介质(如FC-40、FC-70、FC-770等)。

SRS气体池24所用材料为不锈钢管，长度180mm，内径25mm，且两端窗口为石英玻璃，入射窗口镀与泵浦源波长一致的泵浦激光增透膜，气体池内填充引发SRS效应的气体介质二氧化碳。

由脉冲激光器1发出的偏振光射入SBS紧凑双池组件2，通过第一1/2波片3和第一检偏器4的p偏振光经第一1/4波片5后变成圆偏振光，其中第一检偏器4和第一1/4波片5组成隔离器，防止后向散射的Stokes光进入Nd:YAG激光器泵浦脉冲经由第一凸透镜6汇聚进入受激布里渊散射产生池7中生成小种子脉冲，背向传播的Stokes种子和泵浦光相交于第一受激布里渊散射放大池8吸收能量，并得到有效的放大，原路返回再次经过第一1/4波片5后由圆偏振光转换成s偏振光，最终所得压缩脉冲由第一检偏器4射出。

第一检偏器4所射出的SBS一阶脉宽压缩种子光，经过反射镜与第一行波放大器10后射入SBS聚焦单池组件11中，第一阶压缩产生的s偏振光经第二1/2波片12和第二检偏器13变成p偏振光，p偏振光经第二1/4波片14后变成圆偏振光，经过双凸透镜进行聚焦收束后进入第二SBS放大池16中，产生的种子光背向传播经过1/4波片后变为s偏振光，最终所得二阶压缩脉冲由第二检偏器13射出。

由第二检偏器13射出的SBS二阶脉宽压缩种子光，经过第二光路调节组件17与行第二波放大器18后射入SRS聚焦单池组件19中，第一阶压缩产生的s偏振光经第三1/2波片20和第三检偏器21变成p偏振光，p偏振光经第三1/4波片22后变成圆偏振光，经过双凸透镜进行聚焦收束后进入第二SRS气体池24中，产生的拉曼散射光逆向传播经过第三1/4波片22后变为s偏振光，最终所得超窄变频脉冲由第三检偏器21射出，通过第三光路调节组件25使其光路发生偏转，再经过第三行波放大器26放大后由检测装置27对所得光脉冲进行检测。

由激光器发出的单脉冲激光首先通过紧凑双池布里渊散射脉冲压缩两级放大组件。第一次脉冲压缩中采用的紧凑双池布里渊组件，该组件包括1个凸透镜2个充满介质的柱体介质池。通过检偏器的p偏振光经1/4波片后变成圆偏振光，其中检偏器1和1/4波片组成隔离器，防止后向散射的Stokes光进入Nd:YAG激光器。考虑到SBS的阈值效应，在放大池前面放入凸透镜，对入射脉冲缩束以增大入射到产生池中泵浦脉冲能量密度；泵浦脉冲经由透镜汇聚进入放大池中生成小种子脉冲，背向传播的Stokes种子和泵浦光相交于放大池吸收能量，并得到有效的放大，经过1/4波片后由圆偏振光转换成s偏振光，该光束就是第一次压缩所得到的种子光，将它经由行波放大器进行能量放大后，当作第二次压缩脉宽的泵浦源。第二级脉冲压缩组件为聚焦单池组件包含长焦透镜、第二SBS放大池。第一级产生的s偏振光经1/2波片和偏振片P2变成p偏振光，p偏振光经1/4波片后变成圆偏振光，经过双凸透镜进行聚焦收束后进入第二SBS放大池中，产生的种子光背向传播经过1/4波片后变为s偏振光，将通过检偏器所得到的s光再次通过全反镜反射，并将其经过第二行波放大器放大后作为受激拉曼散射的泵浦源，产生的拉曼散射光逆向传播经过1/4波片后变为s偏振光，最终所超窄变频脉冲由检偏器射出，经过第三行波放大器放大后，通过检测装置27对所得光脉冲进行检测。

实施例：

参见图1，用Nd:YAG脉冲固体激光器输出波长1064nm，能量200mJ，脉冲宽度8ns，出射光束直径ф7mm，发散角为3mrad的s偏振光作为泵浦源，在SBS液体池中注满对1064nm光高透的SBS液体介质FC-40，测得泵浦光经过SBS紧凑双池组件2后，由第一检偏器4输出的一阶压缩光其脉宽被压缩至1.3ns左右，能量为150mJ。而后经过行波放大器进行放大，对放大后能量进行检测大约为550mJ。

将压缩脉宽后的激光作为新的泵浦源激励SBS聚焦单池组件11进行二次受激布里渊散射，并用示波器对由第二检偏器13输出的二阶压缩光脉冲进行测量，观察到其相对于原脉冲激光有轻微的频移现象，其脉冲脉宽被压缩至750ps，能量经过行波放大器放大后约为400mJ。

将所得脉宽为750ps的种子光作为泵浦源激励SRS气体池24进行受激拉曼散射，在SRS气体池24内注入二氧化碳气体，测得最终经过后向拉曼散射输出光的波长变为1.25μm，其脉宽被压缩至500ps，实现了变频窄脉冲激光输出。

本申请涉及一种能够使低功率单脉冲激光通过受激拉曼散射压缩脉宽的方法，相对于现有的利用气体介质受激拉曼散射进行脉宽压缩的组件，在不改变气体介质增益系数的条件下，降低了对泵浦源光功率的要求。且通过级联泵浦的方式让脉冲激光经过了三次受激散射，并且在每一次种子光射入介质池引发受激散射之前，都经由行波放大器放大，提高了功率密度，使非线性效应得到了显著增强，受激散射效率得到了提高，最终能得到具有更高脉宽压缩比的变频脉冲，改善了目前气体介质SRS脉宽压缩技术中存在的对泵浦源功率要求较高，受激散射效率较低、压缩效果不明显等缺点。本申请涉及的脉冲压缩装置简单易操作，成本低廉，容易调整，可靠性高。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的或范围所包含的全部修改。