利用两次受激布里渊散射光限幅获得平顶光束的方法

摘要

利用两次受激布里渊散射光限幅获得平顶光束的方法，它涉及非线性光学领域，它的目的是为了解决非线性光限幅机制因为破坏阈值比较低而无法应用于强激光系统的安全防护，及现有的光限幅获得平顶波形的方法因使用元件针对特定的光束来设计而无法随光束参数变化灵活调节其透射率函数的问题。本发明的方法使第一凸透镜3的焦点落在第一振荡池4中，经3传输的光在3的焦点处发生第一次SBS，从4输出的透射光经第二凸透镜5传输并在5的焦点处发生第二次SBS，5的焦点也在第二振荡池6中，从6输出的光即是平顶光束。本发明产生平顶光束的方法不受入射光参数波长、光束质量等参数的限制，具有宽带、快速和透射性可调等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学领域，具体涉及的是一种利用受激布里渊散射光限幅获得平顶光束的方法。

背景技术

在高功率强激光系统中，输出激光功率密度往往很高，以致于对激光系统中各种光学材料，例如光学晶体、透镜、各种光学镀膜造成损伤，这就需要对激光系统进行必要的光学安全防护；另外，激光系统为了安全起见一般只能工作在低于额定功率的范围，因而使得激光系统的工作效率很低。如果对激光系统防护措施得当，就可以让激光系统尽量工作在较高功率状态，以提高系统的工作效率，为此，激光光限幅器是较好的防护措施之一。人们研究了基于各种非线性效应的光限幅机制，例如双光子吸收及多光子吸收光限幅、反饱和吸收光限幅、非线性折射光限幅、非线性反射光限幅、衍射光限幅等等，虽然以上非线性光限幅具有宽带、快速和高透射等一些优点，但是非线性光限幅机制因为破坏阈值比较低而无法应用于强激光的安全防护。

目前，国内在研究光限幅获得平顶光束的方面还停留在理论研究阶段，而国外则已经制出相关的产品，平顶光束的获得主要集中在以下两类方法：(1)激光器输出光束传输路经中加入各种光学元件或系统，如反射或者折射失真光学系统、全息光学元件、二元衍射光学元件、随机位相片、阵列光学元件等；(2)使用特殊的谐振腔结构直接获得平顶光束，如加入腔内渐变反射率镜片、渐变相位镜、自适应镜、时空相位调制镜等。以上方法各有所长，但有一个共同的缺点：器件的生产制造上目前还受到微精细加工技术发展水平的限制，每个器件是针对特定的光束参数而设计的，造好的器件不能随光束参数的变化灵活地调节其透射率函数，所以用上述方法实现光限幅获得平顶光束时只能针对激光器类型的不同而设计不同的光限幅元件，造成实现方法的复杂性、不灵活性。

发明内容

本发明的目的是为了解决非线性光限幅机制因为破坏阈值比较低而无法应用于强激光系统的安全防护，及现有的获得平顶光束的方法因使用元件针对特定的光束来设计而无法随光束参数变化灵活调节其透射率函数的问题，从而提供了一种利用两次受激布里渊散射光限幅获得平顶光束的方法，它是基于受激布里渊散射(SBS)原理的将高斯光变为平顶光束的方法。

本发明的两次受激布里渊散射系统由偏振片、1/4波片、第一凸透镜、第一振荡池、第二凸透镜、第二振荡池和激光器组成，本发明实现光限幅获得平顶光束的方法是：激光器输出的p偏振光输入到偏振片的输入端后经偏振片传输并从偏振片的输出端输出到1/4波片的输入端中，经1/4波片传输变换后在1/4波片的输出端得到圆偏振光并输入到第一凸透镜的输入端中，经第一凸透镜传输的圆偏振光从第一透镜的光输出端输出到第一振荡池的输入端中，第一凸透镜的光输出端聚焦焦点在第一振荡池中，经第一凸透镜传输的圆偏振光在第一凸透镜的光输出端聚焦焦点处发生第一次SBS作用并产生Stokes种子光，所述第一次SBS产生的Stokes种子光在第一振荡池中得到放大之后沿原路经第一凸透镜、1/4波片后输入到偏振片上，所述第一次SBS产生的Stokes种子光经1/4波片传输变换后在1/4波片的输出端得到s偏振光并被偏振片反射出，而经过第一次SBS并从第一振荡池的输出端输出的透射光输入到第二凸透镜的输入端中，经第二凸透镜传输的透射光从第二凸透镜的光输出端输出到第二振荡池的输入端中，第二凸透镜的光输出端聚焦焦点在第二振荡池中，经第二凸透镜传输的透射光在第二凸透镜的光输出端聚焦焦点处发生第二次SBS作用并产生Stokes种子光，所述第二次SBS产生的Stokes种子光在第二振荡池中得到放大之后沿原路经第二凸透镜、第一振荡池、第一凸透镜、1/4波片后输入到偏振片上，所述第二次SBS产生的Stokes种子光经1/4波片传输变换后在1/4波片的输出端得到s偏振光并被偏振片反射出，而经过第二次SBS并从第二振荡池的输出端输出的透射光即是所需的平顶光束。

工作原理：本发明中激光器输出的抽运光脉冲(如图2所示)开始进入到第一振荡池中时，由于脉冲功率较小不足以产生SBS作用，于是仍然沿线形透过介质，此时透射脉冲前沿轮廓与抽运光脉冲波形轮廓相同，保持准高斯型；当抽运光脉冲功率刚超过第一振荡池中介质的SBS阈值时，由于SBS的产生是基于介质的声子场的建立，它的建立必定需要一定的弛豫时间，因而抽运光仍保持高透射率，此时透射脉冲前沿轮廓与抽运光脉冲波形轮廓近似，但是脉冲波形由于SBS作用而发生微小的变形；当抽运光脉冲功率超过第一振荡池中介质的SBS阈值很多时，激光脉冲与布里渊介质发生较强的SBS相互作用，导致抽运激光能量迅速地向散射光Stokes场转移，Stokes场迅速增长，导致抽运脉冲光能量被迅速耗尽，因而透射脉冲后沿开始陡然下降，留下一个很陡的下降，继而由于后续脉冲的功率达不到产生SBS作用的阈值功率，因而脉冲后沿功率就维持在一个功率“平台”附近(如图3所示)；经过第二次SBS光限幅输出的波形几乎是一个平顶(如图4所示)，第二次SBS光限幅当中只有尖峰才能达到SBS阈值，并且抽运光能量迅速地向散射光Stokes场转移，因此尖峰被消除，原来“平台”位置的功率达不到SBS的阈值，仍然保持原状，因此最终整体变为一个平顶，顶部的起伏是由调制现象引起的。由理论可知，振荡池中介质的增益系数越小，吸收系数越小，SBS光限幅输出的能量就越高，所以，为了提高本发明光限幅输出的能量，在第一振荡池中选择增益系数小的布里渊介质。为了有效的消除经过第一次SBS作用后产生的前沿尖峰功率(如图3所示)，在第二振荡池内选用SBS阈值小、声子寿命短或增益系数大的布里渊介质。

本发明产生平顶光束的方法不受入射光参数波长、光束质量等参数的限制，并且通过改变入射光参数、透镜结构参数和振荡池内布里渊介质参数可灵活地调节平顶光束的输出能量和脉冲宽度等参数，它适用于各种激光系统，特别是强激光系统；并且，方法简单，灵活性强，具有宽带、快速和透射性可调等特点。本发明产生的平顶光束可应用在激光材料加工(如激光焊接和激光钻孔)，激光临床医学(如准分子激光治疗近视)，激光平版印刷，探测阵列激光雷达，激光扫描，光学信息处理、存储和记录等方面有着广泛的应用。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图，图2是激光器7输出的抽运光波形，

图3是经过第一次SBS作用后的从第一振荡池4输出的透射光波形，图4是经过第二次SBS作用后从第二振荡池6输出的透射光的波形。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式的两次受激布里渊散射系统由偏振片1、1/4波片2、第一凸透镜3、第一振荡池4、第二凸透镜5、第二振荡池6和激光器7组成，本具体实施方式实现光限幅获得平顶光束的方法是：激光器7输出的p偏振光输入到偏振片1的输入端后经偏振片1传输并从偏振片1的输出端输出到1/4波片2的输入端中，经1/4波片2传输变换后在1/4波片2的输出端得到圆偏振光并输入到第一凸透镜3的输入端中，经第一凸透镜3传输的圆偏振光从第一透镜3的光输出端输出到第一振荡池4的输入端中，第一凸透镜3的光输出端聚焦焦点在第一振荡池4中，经第一凸透镜3传输的圆偏振光在第一凸透镜3的光输出端聚焦焦点处发生第一次SBS作用并产生Stokes种子光，所述第一次SBS产生的Stokes种子光在第一振荡池4中得到放大之后沿原路经第一凸透镜3、1/4波片2后输入到偏振片1上，所述第一次SBS产生的Stokes种子光经1/4波片2传输变换后在1/4波片2的输出端得到s偏振光并被偏振片1反射出，而经过第一次SBS并从第一振荡池4的输出端输出的透射光输入到第二凸透镜5的输入端中，经第二凸透镜5传输的透射光从第二凸透镜5的光输出端输出到第二振荡池6的输入端中，第二凸透镜5的光输出端聚焦焦点在第二振荡池6中，经第二凸透镜5传输的透射光在第二凸透镜5的光输出端聚焦焦点处发生第二次SBS作用并产生Stokes种子光，所述第二次SBS产生的Stokes种子光在第二振荡池6中得到放大之后沿原路经第二凸透镜5、第一振荡池4、第一凸透镜3、1/4波片2后输入到偏振片1上，所述第二次SBS产生的Stokes种子光经1/4波片2传输变换后在1/4波片2的输出端得到s偏振光并被偏振片1反射出，而经过第二次SBS并从第二振荡池6的输出端输出的透射光即是所需的平顶光束。

具体实施方式二：结合图1说明本具体实施方式，在具体实施方式一中，所述第一振荡池4内的介质和所述第二振荡池6内的介质都选择用吸收系数小于0.005cm^-1(每厘米)的布里渊介质。吸收系数越小，SBS光限幅输出的能量就越高，所以，为了提高本发明光限幅输出的能量选择吸收系数小的布里渊介质。

具体实施方式三：结合图1说明本具体实施方式，在具体实施方式一中，所述第一振荡池4内介质的增益系数由所需平顶光束的能量决定。由于SBS光限幅输出能量由系统指数增益系数(G＝gIL式中，G为系统指数增益系数，g为介质增益系数，L为有效作用长度，I为光强)来决定，增益系数越小，第一次SBS作用后产生的后沿平台就高，所需平顶光束的能量就高；增益系数越大，第一次SBS作用后产生的后沿平台就低，所需平顶光束的能量就低。

具体实施方式四：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述第二凸透镜5的焦距要比第一凸透镜3的焦距短。由理论可知，通过改变透镜焦距，可对SBS光限幅输出能量和波形进行调节。为了获得较高能量的光限幅和后沿“平”的波形(如图4所示)，第一凸透镜3选取了相对长焦距透镜；为了有效地消除经过第一次SBS作用后产生的前沿尖峰功率(如图3所示)，第二凸透镜5选取了相对短焦距透镜。其他步骤与具体实施方式一相同。当透镜的焦距确定后，由于透镜的焦点必须落在振荡池中，所以振荡池的长度由振荡池内介质的折射率与透镜焦距的乘积来决定；然而，避免振荡池壁被击穿，所以振荡池的长度必须稍大于上述乘积值。另外振荡池还必须要有足够的长度完成抽运光能量被耗尽实现限幅的过程，例如当抽运光的脉宽长时，所需振荡池的长度就要比上述乘积值相对更大一些。

具体实施方式五：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述第一振荡池4内介质的增益系数小于所述第二振荡池6内介质增益系数。增益系数大的介质将导致能量提取时间缩短，有利于消除经过第一次SBS作用后产生的前沿尖峰功率(如图3所示)。本具体实施方式实现的效果和具体实施方式四相同，不同的是：具体实施方式四是通过调节透镜的结构参数来消除第一次SBS作用后产生的前沿尖峰，而本具体实施方式是通过调节振荡池内介质的参数来消除第一次SBS作用后产生的前沿尖峰(如图3所示)，振荡池内介质的参数还包括SBS阈值、声子寿命。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式五的不同点是：所述第一振荡池4内的介质选取吸收系数小于0.005cm^-1、增益系数在0.5～10cm/GW(厘米每吉瓦)范围内的布里渊介质；所述第二振荡池6内的介质选取吸收系数小于0.005cm^-1(每厘米)、增益系数在10～70cm/GW范围内的布里渊介质。其他步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式六的不同点是：所述第一振荡池4内的介质主要是FC-72液体、CCl₄液体、FC-75液体、C₂Cl₄液体、C₄Cl₆液体中的一种；所述第二振荡池6内的介质主要是二硫化碳液体。其他步骤与具体实施方式六相同。(FC-72液体的主要成分是C₆F₁₄，FC-75液体的主要成分是C₈F₁₆O)

具体实施方式八：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述第二振荡池6内选择SBS阈值在0.1～0.5GW/cm²(吉瓦每平方厘米)范围内的布里渊介质。SBS阈值越小，第二振荡池6内声子场建立的驰豫时间越短，也有利于消除经过第一次SBS作用后产生的前沿尖峰功率(如图3所示)。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式八的不同点是：所述第二振荡池6内的介质为CCl₄液体、FC-75液体、C₂Cl₄液体、C₄Cl₆液体、二硫化碳液体、FC-72液体中的一种。其他步骤与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述第二振荡池6内选择声子寿命在0.1～1ns(纳秒)范围内的布里渊介质。声子寿命越短，第二振荡池6内声子场建立的驰豫时间越短，也有利于消除经过第一次SBS作用后产生的前沿尖峰功率(如图3所示)。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式十的不同点是：所述第二振荡池6内的介质为CCl₄液体、FC-75液体、C₂Cl₄液体、C₄Cl₆液体中的一种。其他步骤与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述激光器7选用Nd:YAG调Q激光器，输出光波长为1.064μm(微米)，重复率为1Hz，脉冲宽度为10ns，最高能量为50mJ(毫焦)，输入能量的变化通过加入衰减片来实现，五倍衍射极限的发散角为1.6mrad(毫弧度)；所述第一凸透镜3的焦距为30cm，所述第二凸透镜5的焦距为7.5cm；所述第一振荡池4的池长为60cm，所述第一振荡池4内的介质为FC-72液体；所述第二振荡池6的池长为30cm，所述第二振荡池6内的介质为CS₂液体。其他步骤与具体实施方式一相同。本具体实施方式中，激光器7的抽运光、第二振荡池6输出端输出的透射光和SBS作用后的Stokes种子光的能量用能量计ED200探测，其脉冲波形用PIN光电二极管探测并用数字示波器TDS684A来记录，如图2、图3和图4所示，图中的横坐标表示的是时间，纵坐标表示的是光的相对功率。由图4可见，经过本具体实施方式的光限幅后得到了平顶波形。

由于SBS光限幅输出能量由系统指数增益系数(G＝gIL式中，G为系统指数增益系数，g为介质增益系数，L为有效作用长度，I为光强)来决定，因此通过改变介质参数和结构参数可控制SBS光限幅输出能量。本具体实施方式中，当抽运光能量为30mJ时，第一次SBS光限幅输出能量为18mJ，第二次光限幅输出能量为10mJ。

本发明中，激光器7可以采用YAG激光器，YLF激光器，红宝石激光器，KrF激光器等，对于激光器类型的选择并不影响本发明的效果，上述激光器的参数范围是：波长范围在248nm～1064nm(纳米)内，脉冲宽度范围在1ps(皮秒)～100ns内，能量范围在1μJ～300J内。只要是采用了两次受激布里渊散射系统来对不同类型激光器的输出光实现光限幅获得平顶光束的方法，都在本发明的保护范围内。