CN102231475A - 一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法及装置，属于光学领域，本发明为解决现有布里渊散射光产生装置产生的SBS脉冲波形前沿变陡、脉宽变窄及调制引起的保真度差、以及现有改进装置结构复杂的问题。本发明的激光器发出的P偏振态泵浦激光经过1/2波片透射后输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，所述P偏振态分量的偏振泵浦光依次经过偏振片和1/4波片透射后输出左旋圆偏振泵浦光，所述左旋圆偏振泵浦光经过耦合透镜进入液芯光纤中，由液芯光纤输出受激布里渊散射光；液芯光纤输出的受激布里渊散射光为右旋圆偏振光，所述右旋圆偏振光沿原路返回，由1/4波片将入射的右旋圆振光全部转换成S偏振态的光束。

Description

一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法及装置，属于光学领域。

背景技术

受激布里渊散射(SBS)是产生相位共轭光最简单方便的方法，在改善激光光束质量、激光核聚变、以及激光脉冲压缩等方面具有广泛的应用前景。然而，像激光核聚变之类的应用，既需要相位共轭光，又要求其脉冲波形和泵浦光波形相同。然而，在现有的SBS产生装置中，一方面，SBS的阈值效应会改变脉冲前沿；另一方面，SBS的放大对泵浦脉冲后沿抽空，使整个脉冲压缩。虽然随着泵浦能量的增加，SBS脉冲宽度会增加，脉冲压缩有所缓解，但常用的聚焦型液体池结构产生的SBS脉冲波形经常会由于介质声子寿命过短或光学击穿而产生调制现象；同样，单模或者多模石英光纤等固体介质也由于声子寿命短等原因出现调制，波形保真度很差，现有SBS产生装置中SBS脉冲波形前沿变陡、脉宽变窄及调制引起的保真度差。

2004年《物理学报》第53卷第2期发表的《种子场对单池受激布里渊散射脉冲波形保真的影响》和2005年《Chinese Physics》第14卷第2期发表的《High pulse-shape fidelityrealized in stimulated Brillouin scattering generator with Stokes seed injection》中提出利用种子场诱导单池SBS结构获得与抽运光脉冲波形高保真的Stokes放大光脉冲，得到了90％的脉冲波形保真度。然而，从论文中可以看出，实验装置相当复杂，需要5个SBS液体池，其实用性受到很大限制。这篇文章的核心思想是在SBS产生池中引入种子光，在其诱导下产生SBS，从而使SBS阈值降低，减少脉冲前沿的形变；通过增加种子光的强度来增加SBS脉宽，二者结合提高SBS脉冲波形保真度。

综上所述，获得保真度较好的SBS脉冲波形，首先需要合理选择布里渊介质，其声子寿命要长、布里渊增益要高，避免调制现象发生；其次，设计SBS产生装置结构，有效降低SBS阈值，且能在高泵浦能量下避免光学击穿现象。

发明内容

本发明目的是为了解决现有布里渊散射光产生装置产生的SBS脉冲波形前沿变陡、脉宽变窄及调制引起的保真度差、以及现有改进装置结构复杂的问题，提供了一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法及装置。

本发明所述一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法，该方法为：激光器发出的P偏振态泵浦激光经过1/2波片透射后输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，所述P偏振态分量的偏振泵浦光依次经过偏振片和1/4波片透射后输出左旋圆偏振泵浦光，所述左旋圆偏振泵浦光经过耦合透镜进入液芯光纤中，由液芯光纤输出受激布里渊散射光；

液芯光纤的长度选取0.8m～2m之间，内径选取50μm～500μm之间，液芯光纤的内部装有的液体布里渊介质的折射率选取1.4～2之间，声子寿命选取1.5ns～15ns之间；

激光器发出的P偏振态泵浦激光的波长范围为300nm～10μm之间。

实现上述方法的装置：包括激光器、1/2波片、偏振片、1/4波片、耦合透镜和液芯光纤；

激光器发出的P偏振态泵浦激光的光轴上依次设置1/2波片、偏振片、1/4波片和耦合透镜，1/2波片与所述光轴的夹角为θ，偏振片与所述光轴呈布儒斯特角放置，1/4波片与所述光轴垂直，耦合透镜与所述光轴垂直；

激光器发出的P偏振态泵浦激光入射至1/2波片，1/2波片输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，并入射至偏振片，偏振片透射P偏振态分量的偏振泵浦光，偏振片反射S偏振态分量的偏振泵浦光，被偏振片透射输出的P偏振态分量的偏振泵浦光入射至1/4波片，1/4波片输出左旋圆偏振泵浦光，所述左旋圆偏振泵浦光入射至耦合透镜，耦合透镜输出耦合后的左旋圆偏振泵浦光进入液芯光纤中，由液芯光纤输出受激布里渊散射光。

上述装置可以进一步包括光电探测器，液芯光纤输出的受激布里渊散射光为右旋圆偏振光，所述右旋圆偏振光沿原路返回，经耦合透镜透射后，再入射至1/4波片，1/4波片将入射的右旋圆振光全部转换成S偏振态的光束，并经偏振片反射输出至光电探测器，光电探测器用于探测***输出的SBS脉冲波形。

上述装置还可以进一步包括能量探测器，激光器发出的P偏振态泵浦激光入射至1/2波片，1/2波片输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，并入射至偏振片，偏振片反射的S偏振态分量的偏振泵浦光输出至能量探测器，能量探测器用于监测***输入的泵浦能量。

本发明的优点：本发明具有装置简单、方法简便、适用波长范围广、SBS脉冲波形可控等优点，有望成为聚焦液体池结构及光纤的替代产品，在受激布里渊散射的各种应用领域具有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2是采用本发明装置产生脉宽为10ns的泵浦光脉冲波形示意图；

图3是采用本发明装置产生泵浦能量为18μJ时脉宽为7.1ns的SBS光脉冲波形示意图；

图4是采用本发明装置产生泵浦能量为18μJ时泵浦光和SBS光的对比图；

图5是采用本发明装置产生泵浦能量为110μJ时脉宽为9.7ns的SBS光脉冲波形示意图；

图6是采用本发明装置产生泵浦能量为110μJ时泵浦光和SBS光的对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法，该方法为：激光器1发出的P偏振态泵浦激光经过1/2波片2透射后输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，所述P偏振态分量的偏振泵浦光依次经过偏振片5和1/4波片6透射后输出左旋圆偏振泵浦光，所述左旋圆偏振泵浦光经过耦合透镜7进入液芯光纤8中，由液芯光纤8输出受激布里渊散射光；

液芯光纤8的长度选取0.8m～2m之间，内径选取50μm～500μm之间，液芯光纤8的内部装有的液体布里渊介质的折射率选取1.4～2之间，声子寿命选取1.5ns～15ns之间；

激光器1发出的P偏振态泵浦激光的波长范围为300nm～10μm之间，从近紫外光到红外光；

通过改变1/2波片2的旋转角度来改变入射的泵浦激光的能量，进而获取不同保真度的受激布里渊散射光。

具体实施方式二：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式为实现实施方式一所述一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法的装置，它包括激光器1、1/2波片2、偏振片5、1/4波片6、耦合透镜7和液芯光纤8，

激光器1发出的P偏振态泵浦激光的光轴上依次设置1/2波片2、偏振片5、1/4波片6和耦合透镜7，1/2波片2与所述光轴的夹角为θ，偏振片5与所述光轴呈布儒斯特角放置，1/4波片6与所述光轴垂直，耦合透镜7与所述光轴垂直，

激光器1发出的P偏振态泵浦激光入射至1/2波片2，1/2波片2输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，并入射至偏振片5，偏振片5透射P偏振态分量的偏振泵浦光，偏振片5反射S偏振态分量的偏振泵浦光，被偏振片5透射输出的P偏振态分量的偏振泵浦光入射至1/4波片6，1/4波片6输出左旋圆偏振泵浦光，所述左旋圆偏振泵浦光入射至耦合透镜7，耦合透镜7输出耦合后的左旋圆偏振泵浦光进入液芯光纤8中，由液芯光纤8输出受激布里渊散射光。

通过旋转1/2波片2，改变1/2波片2与所述光轴的夹角θ来改变入射的泵浦激光的能量，进而获取不同保真度的受激布里渊散射光。

本发明的目的是为了解决现有SBS产生装置中SBS脉冲波形前沿变陡、脉宽变窄及调制引起的保真度差、以及现有改进装置结构复杂的问题，从而提供了利用充以高增益高折射率液体介质的液芯光纤组成SBS产生装置。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置还包括光电探测器3，液芯光纤8输出的受激布里渊散射光为右旋圆偏振光，所述右旋圆偏振光沿原路返回，经耦合透镜7透射后，再入射至1/4波片6，1/4波片6将入射的右旋圆振光全部转换成S偏振态的光束，并经偏振片5反射输出至光电探测器3，光电探测器3用于探测***输出的SBS脉冲波形。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置还包括能量探测器4，激光器1发出的P偏振态泵浦激光入射至1/2波片2，1/2波片2输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，并入射至偏振片5，偏振片5反射的S偏振态分量的偏振泵浦光输出至能量探测器4，能量探测器4用于监测***输入的泵浦能量。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式二作进一步说明，激光器1选用被动调Q单纵模单横模Nd:YAG固体激光器，脉冲宽度5ns～20ns，重复率0.5Hz～3Hz，激光波长300nm～10μm。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式二作进一步说明，激光器1选用被动调Q单纵模单横模Nd:YAG固体激光器，脉冲宽度10ns，重复率1Hz，激光波长532nm。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式二作进一步说明，耦合透镜7的焦距为3cm～10cm。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式二作进一步说明，耦合透镜7的焦距为6cm。

具体实施方式九：本实施方式对实施方式二作进一步说明，液芯光纤8选用弹性熔融石英液芯光纤，液芯光纤8的长度在0.8m～2m之间，内径在50μm～500μm之间，液芯光纤8的内部装有的液体布里渊介质的折射率选取1.4～2之间，声子寿命选取1.5ns～15ns之间。

在所有的液体介质中，CS₂的布里渊增益最高、声子寿命最长，所以其声场的惯性也最长，SBS散射光和泵浦光能量交换过程中声波场的反应很慢，进而阻碍弛豫振荡，SBS光脉冲波形不易出现调制现象。但是，CS₂的击穿阈值低，普通的聚焦结构在高泵浦能量极易发生光学击穿现象。本发明采用的装有CS₂液芯光纤的结构拥有聚焦液体介质池和石英光纤两方面的优势：

(1)液芯光纤结构导致SBS阈值很低，能够避免SBS脉冲前沿变陡；

(2)CS₂的声子寿命很长，不易出现调制现象；

(3)液芯光纤结构使得SBS作用长度较长，即使泵浦能量达到几十倍阈值也不易发生击穿现象。

(4)液芯光纤体积小、易弯曲，便于实际应用。

具体实施方式十：本实施方式对实施方式二作进一步说明，液芯光纤8选用弹性熔融石英液芯光纤，液芯光纤8的长度为1m，内径为200μm，液芯光纤8的内部装有的液体布里渊介质的折射率为1.63，声子寿命为1.6ns。

具体实施方式十一：本实施方式给出一个具体实施例，SBS发生装置如图1所示。固体ND:YAG被动调Q激光器输出脉宽为10ns的单纵模近高斯型脉冲，重复率为1Hz。谐振腔内***1.5mm小孔用来限制高阶横模。激光倍频后输出波长为532nm脉冲激光。激光器1输出P偏振泵浦激光脉冲经1/2波片2透射后，得到具有P分量和S分量的偏振泵浦光，所述偏振泵浦光经偏振片5后，反射S偏振光，透射P偏振光，反射的S偏振光进入泵浦能量探头4，用以监测泵浦光能量的大小；所述透射的P偏振光经1/4波片6透射后得到左旋圆偏振泵浦光，所述左旋圆偏振泵浦光经焦距为60mm的耦合透镜7进入液芯光纤8中。液芯光纤8长为1m，内径为200μm，液芯光纤8内部装有高布里渊增益，布里渊增益g＝68cm/GW；高折射率，折射率n＝1.63；低吸收系数，吸收系数a＝0.003cm^-1的CS₂液体介质，这种液芯光纤8有很大的接收角和数值孔径(孔径为0.68)，耦合对准比较方便。泵浦脉冲激光能量由可旋转的1/2波片2和偏振片5组成的衰减器进行线性调节，当泵浦脉冲激光能量超过液芯光纤8的SBS阈值，液芯光纤8内部会发生SBS效应，形成后向传播的SBS光，经1/4波片6透射后得到S偏振光，被偏振片5反射，进入光电探头3，探测到的SBS光脉冲波形由数字示波器DPO4032记录。改变泵浦光能量会得到不同保真度的SBS光脉冲，当泵浦光能量为110μJ以上，即为SBS阈值(7.5μJ)的15倍以上时，SBS脉冲波形保真度达94％以上。

利用可旋转的1/2波片2和偏振片5组成的衰减器线性调节泵浦光能量，测量了不同泵浦能量下的SBS脉冲波形。从图4中可以看出，低泵浦能量下SBS脉冲出现明显的脉冲压缩和前沿变陡现象。随着泵浦能量的增加，SBS指数增益(G＝gIL，g为布里渊增益系数，I为泵浦强度，L为作用长度)变大，导致SBS脉冲宽度逐渐变宽，直到增益饱和出现，SBS脉冲波形基本不变，且与泵浦光脉冲基本一致，如图6所示。波形保真度的定义为峰值归一化的SBS光脉冲和泵浦光脉冲的能量比。经计算，泵浦能量为110μJ时SBS脉冲波形保真度达94％。然而，通常的聚焦型CS₂液体池SBS产生装置无法获得高保真度的脉冲波形，这主要是由于当泵浦能量较高时，CS₂极易发生光学击穿现象，导致SBS脉冲发生调制现象。而其他常用液体介质，如重氟碳化合物(FC系列)、聚全氟醚化合物(HT系列)等，虽然击穿阈值较高，但声子寿命较短。声子寿命代表着声场的惯性，声子寿命越短，声场的惯性越小，SBS光和泵浦光能量交换过程中声波场的反应就越快，弛豫振荡容易发生，因此SBS脉冲易出现调制现象。目前，常用的固体介质为石英光纤，其声子寿命同样很短，SBS脉冲波形调制严重。虽然出现一些消调制的方法，但装置都比较复杂。CS₂液芯光纤既具有其液体介质的优势，又因为作用长度较长、阈值较低，即使泵浦能量达到几十倍阈值也不易发生击穿现象，因此能获得保真度很高的脉冲波形。

Claims (10)

1.一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法，其特征在于，该方法为：激光器(1)发出的P偏振态泵浦激光经过1/2波片(2)透射后输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，所述P偏振态分量的偏振泵浦光依次经过偏振片(5)和1/4波片(6)透射后输出左旋圆偏振泵浦光，所述左旋圆偏振泵浦光经过耦合透镜(7)进入液芯光纤(8)中，由液芯光纤(8)输出受激布里渊散射光；

液芯光纤(8)的长度选取0.8m～2m之间，内径选取50μm～500μm之间，液芯光纤(8)的内部装有的液体布里渊介质的折射率选取1.4～2之间，声子寿命选取1.5ns～15ns之间；

激光器(1)发出的P偏振态泵浦激光的波长范围为300nm～10μm之间。

2.实现权利要求1所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的方法的装置，其特征在于，它包括激光器(1)、1/2波片(2)、偏振片(5)、1/4波片(6)、耦合透镜(7)和液芯光纤(8)，

激光器(1)发出的P偏振态泵浦激光的光轴上依次设置1/2波片(2)、偏振片(5)、1/4波片(6)和耦合透镜(7)，1/2波片(2)与所述光轴的夹角为θ，偏振片(5)与所述光轴呈布儒斯特角放置，1/4波片(6)与所述光轴垂直，耦合透镜(7)与所述光轴垂直，

激光器(1)发出的P偏振态泵浦激光入射至1/2波片(2)，1/2波片(2)输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，并入射至偏振片(5)，偏振片(5)透射P偏振态分量的偏振泵浦光，偏振片(5)反射S偏振态分量的偏振泵浦光，被偏振片(5)透射输出的P偏振态分量的偏振泵浦光入射至1/4波片(6)，1/4波片(6)输出左旋圆偏振泵浦光，所述左旋圆偏振泵浦光入射至耦合透镜(7)，耦合透镜(7)输出耦合后的左旋圆偏振泵浦光进入液芯光纤(8)中，由液芯光纤(8)输出受激布里渊散射光。

3.根据权利要求2所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置，其特征在于，它还包括光电探测器(3)，液芯光纤(8)输出的受激布里渊散射光为右旋圆偏振光，所述右旋圆偏振光沿原路返回，经耦合透镜(7)透射后，再入射至1/4波片(6)，1/4波片(6)将入射的右旋圆振光全部转换成S偏振态的光束，并经偏振片(5)反射输出至光电探测器(3)，光电探测器(3)用于探测***输出的SBS脉冲波形。

4.根据权利要求2所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置，其特征在于，它还包括能量探测器(4)，激光器(1)发出的P偏振态泵浦激光入射至1/2波片(2)，1/2波片(2)输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的偏振泵浦光，并入射至偏振片(5)，偏振片(5)反射的S偏振态分量的偏振泵浦光输出至能量探测器(4)，能量探测器(4)用于监测***输入的泵浦能量。

5.根据权利要求2所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置，其特征在于，激光器(1)选用被动调Q单纵模单横模Nd:YAG固体激光器，脉冲宽度5ns～20ns，重复率0.5Hz～3Hz，激光波长300nm～10μm。

6.根据权利要求2所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置，其特征在于，激光器(1)选用被动调Q单纵模单横模Nd:YAG固体激光器，脉冲宽度10ns，重复率1Hz，激光波长532nm。

7.根据权利要求2所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置，其特征在于，耦合透镜(7)的焦距为3cm～10cm。

8.根据权利要求2所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置，其特征在于，耦合透镜(7)的焦距为6cm。

9.实现权利要求2所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置，其特征在于，液芯光纤(8)选用弹性熔融石英液芯光纤，液芯光纤(8)的长度在0.8m～2m之间，内径在50μm～500μm之间，液芯光纤(8)的内部装有的液体布里渊介质的折射率选取1.4～2之间，声子寿命选取1.5ns～15ns之间。

10.实现权利要求2所述的一种获取具有高度保真脉冲波形的受激布里渊散射光的装置，其特征在于，液芯光纤(8)选用弹性熔融石英液芯光纤，液芯光纤(8)的长度为1m，内径为200μm，液芯光纤(8)的内部装有的液体布里渊介质的折射率为1.63，声子寿命为1.6ns。

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