基于受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器

摘要

基于受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器，涉及激光串行组束技术。它为了解决若干束激光进行串行组束时，传统的平台式结构占地面积大、种子光和抽运光模块之间集成化程度低，导致激光束数量无法实现有效叠加的问题。本发明由组束激光器主体、m层非共线布里渊放大单元一和n层非共线布里渊放大单元二组成，所述m层非共线布里渊放大单元一和n层非共线布里渊放大单元二逐层交叉叠加在组束激光器主体上，对种子光进行逐级放大。本发明各模块空间排布简单，模块间采用立体结构叠放，系统布局紧凑、占地面积小。可以根据对输出能量的需要增加或减少放大单元的数量，提高激光系统的装配效率以及稳定性，适用于大能量和高功率固体组束激光器。

说明书

技术领域

本发明涉及基于受激布里渊散射的非共线串行组束技术，属于激光领域。

背景技术

近几年，具有大能量、重复频率、高光束质量固体激光器在工业、科研等领域有着广 泛的应用。目前，通过将多束低功率、小能量激光进行合成的技术手段可以有效克服增益 介质的尺寸、热影响和损伤阈值等技术难题，实现大能量、高功率激光输出。基于非线性 光学相位共轭原理的受激布里渊散射(SBS)非共线串行组束具有结构简单、输出光束质量 好、以及抽运光的光束质量和稳定性对输出光影响小等优点，受到科研人员的广泛关注。

但是传统平台式的激光组束装置占地面积大，种子光和抽运光模块之间集成化程度低， 并且随着激光束数量增加，装置的空间排布更为复杂、很难实现进一步有效叠加，稳定性 随之变差。

发明内容

本发明的目的是为了解决若干束激光进行串行组束时，传统的平台式结构占地面积 大、种子光和抽运光模块之间集成化程度低，导致激光束数量无法实现进一步有效叠加的 问题，提供一种基于受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器。

本发明所述的基于受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器，包括组束激光器 主体、m层非共线布里渊放大单元一和n层非共线布里渊放大单元二，n＝m或n＝m-1，m 为自然数，且m≥1；

所述组束激光器主体包括单纵模激光器1、光隔离器一3、1/2波片一4、偏振片一5、 光隔离器二7、多个抽运光放大模块一8、种子光发生模块9、介质池一11、光学陷阱一 12、全反镜一13和偏振分光模块一14，单纵模激光器1出射的光束依次经过光隔离器一 3、1/2波片一4和偏振片一5后分为两束，一束经偏振分光模块一14反射进入第一层非 共线布里渊放大单元一，另一束经过光隔离器二7后，依次进入多个抽运光放大模块一8， 经每个抽运光放大模块一8放大后的抽运光进入介质池一11，从介质池一11出射的抽运 光入射至光学陷阱一12，种子光发生模块9产生的种子光入射至介质池一11，从多个抽 运光放大模块一8出射的抽运光均与种子光在介质池一11内相交，从介质池一11出射的 种子光被全反镜一13反射进入第一层非共线布里渊放大单元一；

非共线布里渊放大单元一包括全反镜三15、介质池二16、光学陷阱二17、全反镜四 18、多个抽运光放大模块二19、偏振分光模块二20和偏振片四21；

第一层非共线布里渊放大单元一中：进入的种子光经全反镜三15反射后入射至介质 池二16，经该介质池二16放大后的种子光入射至全反镜四18并被该全反镜四18反射进 入第一层非共线布里渊放大单元二中，进入该层非共线布里渊放大单元一的抽运光入射至 偏振分光模块二20，并被偏振分光模块二20分为反射光和透射光，所述透射光进入第一 层非共线布里渊放大单元二中，所述反射光经偏振片四21反射后依次进入多个抽运光放 大模块二19，经每个抽运光放大模块二19放大后的抽运光进入介质池二16，从多个抽运 光放大模块二19出射的抽运光均与种子光在介质池二16内相交，从介质池二16出射的 抽运光入射至光学陷阱二17；

所述的非共线布里渊放大单元二包括全反镜六22、介质池三23、光学陷阱三24、全 反镜七25、多个抽运光放大模块三26、偏振分光模块三27和偏振片六28；

第一层非共线布里渊放大单元二中：进入的种子光经全反镜六22反射后进入介质池 三23，经该介质池三23放大后的种子光入射至全反镜七25，并被该全反镜七25反射后 进入下一层非共线布里渊放大单元一中，进入该层非共线布里渊放大单元二的抽运光入射 至偏振分光模块三27，并被偏振分光模块三27分为反射光和透射光，所述透射光进入下 一层非共线布里渊放大单元一中，所述反射光经偏振片六28反射后依次进入多个抽运光 放大模块三26，经每个抽运光放大模块三26放大后的抽运光进入介质池三23，从多个抽 运光放大模块三26出射的抽运光均与种子光在介质池三23内相交，从介质池三23出射 的抽运光入射至光学陷阱三24；

m层非共线布里渊放大单元一和n层非共线布里渊放大单元二互相穿插设置，即：从 每层非共线布里渊放大单元一出射的种子光入射至下一层非共线布里渊放大单元二的全 反镜六22，从该层非共线布里渊放大单元二出射的种子光入射至下一层非共线布里渊放 大单元一的全反镜三15；从每层非共线布里渊放大单元一的偏振分光模块二20透射出去 的抽运光入射至下一层非共线布里渊放大单元二的偏振分光模块三27，从该偏振分光模 块三27透射出去的抽运光入射至下一层非共线布里渊放大单元一的偏振分光模块二20。

从组束激光器主体出射的种子光依次穿插进入非共线布里渊放大单元一和非共线布 里渊放大单元二，种子光的传播方向为蛇形。

每层非共线布里渊放大单元一和非共线布里渊放大单元二中均包含一个偏振分光模 块，抽运光依次经多个偏振分光模块，每经过一个偏振分光模块后，反射的抽运光进入该 偏振分光模块所在的非共线布里渊放大单元一或非共线布里渊放大单元二，透射的抽运光 进入下一个偏振分光模块。

本发明将整个激光器分成多个模块，即组束激光器主体和若干非共线布里渊放大单元 一和非共线布里渊放大单元二，所述模块的空间排布简单，模块间采用立体结构叠放，系 统布局紧凑、占地面积小。可以根据对输出能量的需要增加或减少放大单元的数量，提高 激光系统的装配效率以及稳定性，适用于大能量和高功率固体组束激光器。

附图说明

图1为实施方式一所述的基于受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器的结 构示意图；

图2为实施方式一中的种子光的传播方向示意图；

图3为实施方式一中的抽运光的传播方向示意图；

图4为实施方式四中的组束激光器主体的结构示意图；

图5为实施方式六中的非共线布里渊放大单元一的结构示意图；

图6为实施方式八中的非共线布里渊放大单元二的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于受激布里 渊散射的模块化非共线串行组束激光器，包括组束激光器主体、m层非共线布里渊放大 单元一和n层非共线布里渊放大单元二，n＝m或n＝m-1，m为自然数，且m≥1；

所述组束激光器主体包括单纵模激光器1、光隔离器一3、1/2波片一4、偏振片一5、 光隔离器二7、多个抽运光放大模块一8、种子光发生模块9、介质池一11、光学陷阱一 12、全反镜一13和偏振分光模块一14，单纵模激光器1出射的光束依次经过光隔离器一 3、1/2波片一4和偏振片一5后分为两束，一束经偏振分光模块一14反射进入第一层非 共线布里渊放大单元一，另一束经过光隔离器二7后，依次进入多个抽运光放大模块一8， 经每个抽运光放大模块一8放大后的抽运光进入介质池一11，从介质池一11出射的抽运 光入射至光学陷阱一12，种子光发生模块9产生的种子光入射至介质池一11，从多个抽 运光放大模块一8出射的抽运光均与种子光在介质池一11内相交，从介质池一11出射的 种子光被全反镜一13反射进入第一层非共线布里渊放大单元一；

非共线布里渊放大单元一包括全反镜三15、介质池二16、光学陷阱二17、全反镜四 18、多个抽运光放大模块二19、偏振分光模块二20和偏振片四21；

第一层非共线布里渊放大单元一中：进入的种子光经全反镜三15反射后入射至介质 池二16，经该介质池二16放大后的种子光入射至全反镜四18并被该全反镜四18反射进 入第一层非共线布里渊放大单元二中，进入该层非共线布里渊放大单元一的抽运光入射至 偏振分光模块二20，并被偏振分光模块二20分为反射光和透射光，所述透射光进入第一 层非共线布里渊放大单元二中，所述反射光经偏振片四21反射后依次进入多个抽运光放 大模块二19，经每个抽运光放大模块二19放大后的抽运光进入介质池二16，从多个抽运 光放大模块二19出射的抽运光均与种子光在介质池二16内相交，从介质池二16出射的 抽运光入射至光学陷阱二17；

所述的非共线布里渊放大单元二包括全反镜六22、介质池三23、光学陷阱三24、全 反镜七25、多个抽运光放大模块三26、偏振分光模块三27和偏振片六28；

第一层非共线布里渊放大单元二中：进入的种子光经全反镜六22反射后进入介质池 三23，经该介质池三23放大后的种子光入射至全反镜七25，并被该全反镜七25反射后 进入下一层非共线布里渊放大单元一中，进入该层非共线布里渊放大单元二的抽运光入射 至偏振分光模块三27，并被偏振分光模块三27分为反射光和透射光，所述透射光进入下 一层非共线布里渊放大单元一中，所述反射光经偏振片六28反射后依次进入多个抽运光 放大模块三26，经每个抽运光放大模块三26放大后的抽运光进入介质池三23，从多个抽 运光放大模块三26出射的抽运光均与种子光在介质池三23内相交，从介质池三23出射 的抽运光入射至光学陷阱三24；

m层非共线布里渊放大单元一和n层非共线布里渊放大单元二互相穿插设置，即：从 每层非共线布里渊放大单元一出射的种子光入射至下一层非共线布里渊放大单元二的全 反镜六22，从该层非共线布里渊放大单元二出射的种子光入射至下一层非共线布里渊放 大单元一的全反镜三15；从每层非共线布里渊放大单元一的偏振分光模块二20透射出去 的抽运光入射至下一层非共线布里渊放大单元二的偏振分光模块三27，从该偏振分光模 块三27透射出去的抽运光入射至下一层非共线布里渊放大单元一的偏振分光模块二20。

如图1所示，本实施方式将整个激光器分成多个模块，即组束激光器主体、若干非共 线布里渊放大单元一和非共线布里渊放大单元二，组束激光器主体用来产生种子光和抽运 光，并对种子光进行放大，m层非共线布里渊放大单元一和n层非共线布里渊放大单元 二逐层交叉叠加在组束激光器主体上，种子光进行逐级放大。

组束激光器、非共线布里渊放大单元一和非共线布里渊放大单元二中，种子光与抽运 光分别从介质池相对的两端进入介质池，但种子光与抽运光呈一定夹角，抽运光在介质池 内与种子光相互作用，对种子光进行放大后，剩余的抽运光进入光学陷阱。

如图1和图2所示，全反镜一13、全反镜三15和全反镜七25在各模块(这里的模 块是指组束激光器、非共线布里渊放大单元一和非共线布里渊放大单元二)的同一侧，全 反镜四18和全反镜六22在各模块的另外一侧。

种子光10通过全反镜一13和全反镜三15入射至第一层非共线布里渊放大单元一， 通过全反镜四18和全反镜六22入射至第一层非共线布里渊放大单元二，再通过全反镜七 25和全反镜三15入射至第二层非共线布里渊放大单元一，以此类推。

如图1和图3所示，抽运光6通过偏振分光模块一14向非共线布里渊放大单元一和 非共线布里渊放大单元二传输，抽运光6通过偏振分光模块二20一部分入射至非共线布 里渊放大单元一，剩下的抽运光6传输至偏振分光模块三27，抽运光6通过偏振分光模 块三27一部分入射至非共线布里渊放大单元二，剩下的抽运光6传输至第二层非共线布 里渊放大单元一的偏振分光模块二20，以此类推。

当n＝m时，放大光最终从第m层非共线布里渊放大单元二，即总层数2m+1层输出； 当n＝m-1时，放大光最终从第m-1层非共线布里渊放大单元二输出，即总层数2m层输 出。

使用时，只需要将组束激光器主体、m层非共线布里渊放大单元一和n层非共线布里 渊放大单元二进行简单的组装即可，组束激光器主体和若干非共线布里渊放大单元一和非 共线布里渊放大单元二可制作成相同的外部尺寸，各模块空间排布简单，模块间采用立体 结构叠放，系统布局紧凑、占地面积小。可以根据对输出能量的需要增加或减少非共线布 里渊放大单元一和非共线布里渊放大单元二的数量，提高激光系统的装配效率以及稳定 性。

如图1所示，为了使结构更加紧凑，单纵模激光器1可以不与光隔离器一3、1/2波 片一4和偏振片一5共轴，此时，需要在单纵模激光器1与光隔离器一3之间增加光束偏 折组件2，用于改变激光传播方向。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的基于 受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，所述的种子 光发生模块9包含1/2波片三9-1、偏振片三9-2、放大器二9-3、旋光器二9-4、聚焦透 镜9-5、种子光产生池9-6和放大器三9-7，进入种子光发生模块9的抽运光经1/2波片三 9-1透射后入射至偏振片三9-2，并被该偏振片三9-2分为反射光和透射光，所述透射光进 入抽运光放大模块一8，所述反射光依次经过放大器二9-3、旋光器二9-4和聚焦透镜9-5 后进入种子光产生池9-6，种子光产生池9-6产生的种子光依次经过聚焦透镜9-5、旋光器 二9-4、放大器二9-3、偏振片三9-2和放大器三9-7后，入射至介质池一11。

如图4所示，本实施方式中，偏振片三9-2、放大器二9-3、旋光器二9-4、聚焦透镜 9-5、种子光产生池9-6、放大器三9-7、介质池一11和光学陷阱一12共轴设置，光学陷 阱一12的中心设置有缝隙，从放大器三9-7出射的种子光经该缝隙进入介质池一11。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的基于 受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，所述的抽运 光放大模块一8包含1/2波片二8-1、偏振片二8-2、放大器一8-3、旋光器一8-4、全反 射器一8-5和全反镜二8-6，抽运光经1/2波片二8-1进入所述抽运光放大模块一8中， 从1/2波片二8-1透射的抽运光入射至偏振片二8-2，并被该偏振片二8-2分为反射光和 透射光，其中透射光进入下一个抽运光放大模块一8，反射光依次经过放大器一8-3和旋 光器一8-4，然后被全反射器一8-5反射后沿原路返回，返回的抽运光经偏振片二8-2透 射后入射至全反镜二8-6，并被全反镜二8-6反射进入介质池一11。

如图4所示，从光隔离器二7出射的抽运光依次进入所有抽运光放大模块一8，且每 经过一个1/2波片二8-1后，抽运光就被分为两束光，即反射光和透射光，反射光进入该 1/2波片二8-1所在的抽运光放大模块一8，透射光进入下一个抽运光放大模块一8中的 1/2波片二8-1。

偏振片二8-2、放大器一8-3、旋光器一8-4、全反射器一8-5和全反镜二8-6共轴设 置，且该轴与种子光发生模块9中的轴平行，使种子光发生模块9结构更加紧凑，减小装 置占地面积。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三所述的基于 受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，抽运光放大 模块一8的数量为偶数，且多个抽运光放大模块一8对称分布在种子光发生模块9的两侧。

本实施方式中，种子光10两侧的抽运光放大模块一8的数量相等，且两侧的抽运光 6对称，以提高放大后种子光10光束的均匀性。

具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三所述的基于 受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，所述的抽运 光放大模块二19与抽运光放大模块一8的结构相同。

如图5所示，本实施方式中，抽运光放大模块二19包含1/2波片四19-1、偏振片五 19-2、放大器四19-3、旋光器三19-4、全反射器二19-5和全反镜五19-6，抽运光放大模 块二19与抽运光放大模块一8的结构及原理均相同。

抽运光经偏振片四21反射后，入射至一个1/2波片四19-1，并被该1/2波片四19-1 分为两束光，即反射光和透射光，所述透射光入射至下一个抽运光放大模块二19的1/2 波片四19-1，所述反射光在本抽运光放大模块二19内传输后进入介质池二16。

具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的基于 受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，抽运光放大 模块二19的数量为偶数，且多个抽运光放大模块二19对称分布在介质池二16的两侧。

本实施方式中，抽运光关于介质池中的种子光对称分布，能够提高放大后种子光10 光束的均匀性。

具体实施方式七：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的基于 受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，抽运光放大 模块三26包括1/2波片五26-1、偏振片七26-2、放大器五26-3、旋光器四26-4、全反射 器三26-5、全反镜八26-6和全反镜九26-7，抽运光经1/2波片五26-1进入所述抽运光放 大模块三26中，从1/2波片五26-1透射的抽运光入射至偏振片七26-2，并被该偏振片七 26-2分为反射光和透射光，其中透射光进入下一个抽运光放大模块三26，反射光依次经 过放大器五26-3和旋光器四26-4，然后被全反射器三26-5反射后沿原路返回，返回的抽 运光经偏振片七26-2透射后，再依次经全反镜八26-6和全反镜九26-7反射进入介质池三 23。

如图6所示，抽运光放大模块三26在抽运光放大模块二19的基础上增加了全反镜九 26-7，以确保种子光和抽运光分别从介质池三23的相对的两个端面入射。

具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式七所述的基于 受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，所述的抽运 光放大模块三26的数量为偶数，且多个抽运光放大模块三26对称分布在该非共线布里渊 放大单元二中的介质池三23的两侧。

本实施方式中，抽运光关于介质池中的种子光对称分布，能够提高放大后种子光10 光束的均匀性。

对于抽运光放大模块一8、抽运光放大模块二19和抽运光放大模块三26，入射的抽 运光均为垂直偏振，1/2波片用于将部分或全部抽运光的偏振状态由垂直偏振转换为水平 偏振，偏振片用于将抽运光分为两部分，即水平偏振光透射、垂直偏振光反射。

具体实施方式九：本实施方式是对实施方式一所述的基于受激布里渊散射的模块化非 共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，在介质池一11、介质池二16和介质池 三23中，种子光与抽运光均为线偏振光。

具体实施方式十：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式八所述的基于 受激布里渊散射的模块化非共线串行组束激光器进一步限定，本实施方式中，介质池一 11、介质池二16和介质池三23中的种子光的传播方向均平行。

本实施方式中，所有介质池中的种子光的传播方向均互相平行，这种结构更加紧凑， 进一步减小激光器占地面积，实现更有效的叠加，提高了组束激光器的稳定性。