抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的方法及装置

摘要

抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的方法及装置，属于光学领域，本发明为解决TSBS、TSRS等横向非线性效应对大口径光学元器件损伤的问题。本发明所述抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的方法：将入射至大口径光学元器件的激光束预先分成m×n束子光束，每相邻两个子光束的偏振方向相互垂直。抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的装置包括激光源、偏振控制板和大口径光学器元件。偏振控制板由m×n片偏振旋转元构成，形成m×n二维阵列，激光源发射出的激光透过偏振控制板后分成m×n束子光束，每相邻两个子光束的偏振方向相互垂直，所述m×n束子光束入射至大口径光学元器件。

说明书

技术领域

本发明涉及抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的方法及装置，属于光 学领域。

背景技术

为满足某些研究和工程领域对高能量大功率激光的需求，激光系统的整体输出水平越 来越高，光束口径越来越大。然而，当高通量激光经过镜片、透镜、晶体等大口径光学元 器件时（如图2所示），在垂直于激光偏振方向上很容易导致受激布里渊散射、受激拉曼 散射等非线性效应产生，如图3所示，这种横向受激布里渊散射（TSBS）、横向受激拉曼 散射（TSRS）很可能会对大口径光学元器件造成损伤或破坏。目前，横向非线性效应已经 成为制约大型激光装置总体输出水平的主要因素之一。因此，破解TSBS、TSRS等非线性 效应破坏机理找出有效抑制方法，提高激光系统总体输出水平，已经成为当今世界高能量 高强度激光领域一个重大科学问题。

目前，为降低TSBS、TSRS等非线性效应对大口径光学元器件破坏的风险，研究人员 已经提出或利用以下手段：

1）增加激光带宽。研究证明，一般情况下，增加激光带宽能够提高非线性效应阈值， 在一定程度上抑制非线性效应等对光束质量或元件的破坏。但是，激光带宽如果太小其抑 制作用不明显，如果太大很容易超出放大器光谱范围而影响放大效率；另外，目前常用的 相位调制实现激光谱线展宽技术，不仅会破坏激光的相干性还极易出现幅频效应等问题， 从而导致光束质量降低。

2）研制并使用新型光学材料。例如，在高通量大型激光系统中，受TSRS影响，频率 转换晶体KDP极易受到损伤，有人提出利用TSRS增益系数更小的KD^*P代替KDP。但是， 大口径高质量KD^*P晶体生长及加工十分困难，目前还无法应用于工程领域；而且，随着 激光系统输出水平的不断提升，KD^*P还将存在被破坏的风险。

3）降低激光通量或减小光束口径。显然，这种方法难以应用于大型激光装置，否则 势必会大大增加激光系统的设计难度、复杂程度及工程造价。

4）将大口光学元件分割成小口径光学元件阵列。若透镜、晶体（KDP）等大口径关键 性光学器件被分割成很多小口径的光学元器件阵列，光束质量势必遭受一定程度的破坏； 而且，为减小或防止TSBS、TSRS等效应对光束质量的干扰，小口径光学元件之间通常需 铺设一层吸收体，这无疑会进一步破坏光束质量。

5）光学元件侧面斜化处理。例如，为降低TSRS对KDP晶体的破坏能力，将KDP侧面 （靠近激光出射的后表面位置）做成斜面，使侧面反射的Stokes光大部分透射出KDP晶 体，从而降低TSRS对KDP晶体的破坏能力。然而，研究发现这种方案的抑制作用十分有 限，尤其是光学元件侧面反射率本身就很小的时候。

因此，探索一种应用范围广、结构简单、维护方便、能够有效抑制TSBS、TSRS等横 向非线性效应的方法及装置，对提高大型激光系统整体输出能力具有十分重要意义。

发明内容

本发明目的是为了解决TSBS、TSRS等横向非线性效应对大口径光学元器件损伤的问 题，提供了一种抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的方法及装置。

本发明所述抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的方法：将入射至大口 径光学元器件的激光束预先分成m×n束子光束，每相邻两个子光束的偏振方向相互垂直， m和n均为正整数。

抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的装置，它包括激光源、偏振控制 板和大口径光学器元件。

偏振控制板由m×n片偏振旋转元构成，形成m×n二维阵列，m和n均为正整数，激 光源发射出的激光透过偏振控制板后分成m×n束子光束，每相邻两个子光束的偏振方向 相互垂直，所述m×n束子光束入射至大口径光学元器件。

本发明的优点：通过偏振控制板的大口径激光束被分割成偏振方向相互垂直的两类小 口径子光束，在大口径光学元器件中，TSBS、TSRS等产生的Stokes光传输方向与入射 激光偏振方向垂直，因此，如果不使用偏振控制板2，那么在大口径光学元器件中Stokes 光只在两个方向产生与放大；如果使用偏振控制板2，那么在大口径光学元器件中Stokes 光将在四个方向产生与放大，这会减小Stokes光的增益长度，从而降低大口径光学元器 件被损坏的风险。由于振动方向相互垂直的偏振光不相干，所以偏振控制板的使用对提高 激光远场焦斑的均匀性也有一定好处。

附图说明

图1是本发明所述抑制横向非线性效应提高大口径光学元器件安全性的装置的结构 示意图；

图2是激光直接透射大口径光学元器件的示意图，图中A表示激光传播方向，B表 示TSBS或TSRS传输方向；

图3是图2所示情形下，产生TSRS和TSBS的示意图，图中B表示TSBS或TSRS 传输方向，C表示激光偏振方向；

图4是经2×2阵列偏振控制板透射后，子光束的偏振方向分布示意图，图中D表示 子光束的偏振方向；

图5是激光透过2×2阵列偏振控制板后，在大口径光学元器件中TSRS或TSBS传输 方向示意图，图中E表示子光束产生的TSRS或TSBS传输方向。

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，本实施方式所述抑制横向非线性效 应提高大口径光学元器件安全性的方法，该方法为：将入射至大口径光学元器件的激光束 预先分成m×n束子光束，每相邻两个子光束的偏振方向相互垂直，m和n均为正整数。

具体实施方式二：下面结合图1、图4和图5说明本实施方式，抑制横向非线性效应 提高大口径光学元器件安全性的装置，它包括激光源1、偏振控制板2和大口径光学元器 件3。

偏振控制板2由m×n片偏振旋转元构成，形成m×n二维阵列，m和n均为正整数， 激光源1发射出的激光透过偏振控制板2后分成m×n束子光束，每相邻两个子光束的偏 振方向相互垂直，所述m×n束子光束入射至大口径光学元器件3。

在大口径光学元器件3中，TSBS、TSRS等产生的Stokes光传输方向与入射激光偏 振方向垂直，因此，如果不使用偏振控制板2，那么在大口径光学元器件3中Stokes光只 在两个方向产生与放大；如果使用偏振控制板2，那么在大口径光学元器件3中Stokes 光将在四个方向产生与放大，这会减小Stokes光的增益长度，从而降低大口径光学元器 件3被损坏的风险。由于振动方向相互垂直的偏振光不相干，所以偏振控制板2的使用对 提高激光远场焦斑的均匀性也有一定好处。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，偏振控制板2采用石英半 波片、KDP晶体或向列型液晶实现。