一种基于受激布里渊散射的大能量固体激光相干合束系统

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，特别是指一种基于受激布里渊散射的大能量固体激光相干合束系统。

背景技术

大能量高重复频率脉冲激光系统在激光加工、激光制导、中微子和质子产生器、激光核聚变驱动器等方面应用广泛。啁啾脉冲放大技术的应用极大地促进了高能量、短脉宽、高强度激光技术的发展，由此产生的极端物态条件为研究光与物质的相互作用提供了发展机遇。一方面由于受制于晶体生长工艺，激光晶体的尺寸不能无限制的增加，限制了激光输出能量的提高；另一方面随着激光介质体积的增加，受泵浦吸收效率的影响，提高输出功率必将产生大量的废热，限制了光束质量和重复频率的提高。例如，主振荡功率放大器（MOPA）是将一束具有高光束质量的种子信号光逐级通过每一个 MOPA 单元进行放大，其放大的能量和光束质量受制于每一级放大单元的工作状态，即任意一级放大单元出现故障都将对激光输出造成影响，甚至损坏激光系统。因此，单纯依靠激光振荡器或功率放大器技术很难使一个激光系统同时满足高功率、高光束质量和高可靠性的激光输出。会产生热透镜效应、热光楔效应和热致双折射效应，这些效应会导致输出激光的平均功率严重下降和光束质量恶化。

发明内容

针对固体胶激光相干合成过程中存在的热畸变和锁相难等问题，本发明提出了一种基于受激布里渊散射的大能量固体激光相干合束系统，基于受激布里渊散射相位共轭镜和后向注入的斯托克斯种子光被动锁相技术，利用受激布里渊散射具有非线性高效光束放大和补偿波前畸变特性的优势，增大受激布里渊散射相位共轭镜的反射率，降低受激布里渊散射阈值、放大斯托克斯光能量，将各路分光路中的斯托克斯信号光的相位锁定在外提供的低能量/低功率斯托克斯种子光的相位上，实现固体激光器的相干合成。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于受激布里渊散射的大能量固体激光相干合束系统，包括激光源、第一分光系统、第二分光系统、低能量Stokes光产生系统、低能量Stokes光放大系统I、低能量Stokes光放大系统II和激光合束输出系统；

所述激光源产生的泵浦光通过所述第一分光系统将光束分别注入所述低能量Stokes光产生系统、所述低能量Stokes光放大系统I和所述低能量Stokes光放大系统II中；通过所述低能量Stokes光产生系统产生的Stokes光通过第二分光系统将光束分别注入所述低能量Stokes光放大系统I和所述低能量Stokes光放大系统II中；通过所述低能量Stokes光放大系统I和所述低能量Stokes光放大系统II的Stokes光和泵浦光均导入至激光合束输出系统中进行相干合束后输出。

优选地，所述第一分光系统包括部分反射镜I和部分反射镜II，所述激光源产生的泵浦光经过光隔离器I后注入所述部分反射镜I中，通过所述部分反射镜I将一束泵浦光分成两束，其中一束泵浦光依次经过反射镜VI、光隔离器III、反射镜VII和反射镜VIII注入所述低能量Stokes光放大系统I中进行放大；另一束泵浦光通过部分反射镜II将该光束又分为两束，其中一束泵浦光依次经过反射镜I和光隔离器II注入所述低能量Stokes光产生系统中；另一束泵浦光依次经过光隔离器II、反射镜IV和反射镜V注入所述低能量Stokes光放大系统II中进行放大。

优选地，所述第二分光系统为部分反射镜III，所述低能量Stokes光产生系统产生的Stokes光依次经过反射镜II和部分反射镜III后将一束Stokes光分为两束Stokes光，其中一束Stokes光经过反射镜III后注入所述低能量Stokes光放大系统I中；另一束Stokes光直接注入射镜V注入所述低能量Stokes光放大系统II中。

优选地，所述低能量Stokes光产生系统包括偏振片I、四分之一波片I、平凸透镜和介质池I；从光隔离器II输出的泵浦光注入所述偏振片I中用于透射光束中的P偏振光，P偏振光通过四分之一波片I后将P偏振光变为圆偏振光，圆偏振光通过平凸透镜将光聚焦进介质池I中，在介质池I中通过受激布里渊效应以及受激布里渊相位共轭镜效应产生低能量Stokes光。

优选地，所述低能量Stokes光放大系统I包括偏振片II、四分之一波片II、介质池II、四分之一波片III、偏振片III和光吸收斗I；泵浦光通过偏振片II和四分之一波片II被转换成为圆偏振光，后被注入到介质池II中；低能量Stokes光依次通过偏振片III（11-5）、四分之一波片III由P偏振光转换成圆偏振光注入进介质池II中，提取泵浦光的能量，放大后，通过四分之一波片II转换成为S偏振光，通过偏振片II输出；剩余的泵浦光则通过四分之一波片III转换成为S偏振光，通过偏振片III反射进光吸收斗I将剩余的光吸收。

优选地，所述低能量Stokes光放大系统II包括偏振片IV、四分之一波片IV、介质池III、四分之一波片V、偏振片V和光吸收斗II；泵浦光通过偏振片IV和四分之一波片IV被转换成为圆偏振光，后被注入到介质池III中；低能量Stokes光依次通过偏振片V、四分之一波片V由P偏振光转换成圆偏振光注入进介质池III中，提取泵浦光的能量，放大后，通过四分之一波片IV转换成为S偏振光，通过偏振片IV输出；剩余的泵浦光则通过四分之一波片V转换成为S偏振光，通过偏振片V反射进光吸收斗II将剩余的光吸收。

优选地，所述激光合束输出系统包括偏振片VI、反射镜IX、反射镜X、反射镜XI和二分之一波片；通过偏振片IV输出的第二束光依次通过反射镜IX、反射镜X、反射镜XI注入二分之一波片中，通过二分之一波片将光束转换成P偏振光，将P偏振光注入进偏振片VI中，同时通过偏振片II输出的第一束光直接注入偏振片VI，两束光在偏振片VI中合束输出。

优选地，所述介质池I、介质池II和介质池III采用的介质是同一种介质。

优选地，所述低能量Stokes光放大系统I通过将Stokes光同泵浦光一起注入到介质池II中，Stokes光和泵浦光分别从介质池II的两端共线注入，实现共线放大以达到最佳的放大效果；低能量Stokes光放大系统II通过将Stokes光同泵浦光一起注入到介质池III中，Stokes光和泵浦光分别从介质池III的两端共线注入，实现共线放大以达到最佳的放大效果。

优选地，所述介质池I的两边窗镜均为斜口，避免窗镜反射光对返回的Stokes光产生影响。

与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：

1）该激光系统可以实现重复频率在1-10Hz的可调条件下的10ns脉冲激光输出，且可以产生焦耳量级的输出能量。

2）采用受激布里渊散射相位共轭镜和后向注入的斯托克斯种子光被动锁相技术相结合的方式，利用受激布里渊散射具有非线性高效光束放大和补偿波前畸变特性的优势，增大受激布里渊散射相位共轭镜的反射率，降低受激布里渊散射阈值、放大斯托克斯光能量，将各路分光路中的斯托克斯信号光的相位锁定在外提供的低能量/低功率斯托克斯种子光的相位上，实现最后输出激光的高效合成。

3）该激光系统输出的激光光束质量相比于其他固体激光器的输出的光束质量更加优质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的低能量Stokes光产生系统的结构示意图。

图3为本发明的低能量Stokes光放大系统I的结构示意图。

图4为本发明的低能量Stokes光放大系统II的结构示意图。

图5为本发明的激光合束输出系统的结构示意图。

图中：1：激光器，2：光隔离器I，3：部分反射镜I，4：部分反射镜II，5：反射镜I，6：光隔离器II，7：低能量Stokes光产生系统，8：反射镜II，9：部分反射镜III，10：反射镜III，11：低能量Stokes光放大系统I，12：光隔离器II，13：反射镜IV，14：反射镜V，15：低能量Stokes光放大系统II，16：反射镜VI，17：光隔离器III，18：反射镜VII，19：反射镜VIII，20：激光合束输出系统，7-1：偏振片I，7-2：四分之一波片I，7-3：平凸透镜，7-4：介质池I，11-1：偏振片II，11-2：四分之一波片II，11-3：介质池II，11-4：四分之一波片III，11-5：偏振片III，11-6：光吸收斗I，15-1：偏振片IV，15-2：四分之一波片IV，15-3：介质池III，15-4：四分之一波片V，15-5：偏振片V，15-6：光吸收斗II，20-1：偏振片VI，20-2：反射镜IX，20-3：反射镜X，20-4：反射镜XI，20-5：二分之一波片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了基于受激布里渊散射的大能量固体激光相干合束系统，涉及一种通过合束产生高能量/高功率的固体激光器，包含一个低能量Stokes光产生系统，可以产生低能量Stokes光，并通过自我调节，将分束后的两束光的相位差锁定在一定的范围内。相位差锁定的两束低能量Stokes光再通过两个介质池管，低能量Stokes光将会在介质池中吸收泵浦光的能量，实现共线放大，并通过偏振片反射输入进合束输出系统中，通过二分之一波片将其中的一束光旋转成P偏振光，最后通过偏振片合束输出。

图1给出了本发明系统的整体结构图。激光器输出的激光被分光镜分成两束光，其中一束注入到图2所示的低能量Stokes光产生系统用于产生低能量Stokes光；另一束则被分光镜分成两束，分别注入到不同的Stokes光放大系统中，充当泵浦光，对低能量的Stokes光进行放大。低能量的Stokes光通过部分反射镜将光束分成两束，分别注入不同的放大系统中进行放大输出，最后输出的高能量Stokes光注入偏振相干合束系统中进行相干合束输出。以此种方式获得高能量高光束质量的激光输出。

如图1所示，本发明系统包括激光源1、第一分光系统、第二分光系统、低能量Stokes光产生系统7、低能量Stokes光放大系统I 11、低能量Stokes光放大系统II 15和激光合束输出系统20；所述激光源1产生的泵浦光通过所述第一分光系统将光束分别注入所述低能量Stokes光产生系统7、所述低能量Stokes光放大系统I 11和所述低能量Stokes光放大系统II 15中；通过所述低能量Stokes光产生系统7产生的Stokes光通过第二分光系统将光束分别注入所述低能量Stokes光放大系统I 11和所述低能量Stokes光放大系统II 15中；通过所述低能量Stokes光放大系统I 11和所述低能量Stokes光放大系统II 15的Stokes光和泵浦光均导入至激光合束输出系统20中进行相干合束后输出。通过两个相同型号的平行滑轨，将两片反射镜和镜架固定在滑轨上，且两个镜架以及镜片均相互垂直，使得参与合束的两束光的偏振态为相互垂直的两束光，通过调整滑轨距离激光传播方向不变。参与合束的两束光光程为相等或近似的状态，以保证最后输出光的相干合成对最高。

其中第一分光系统包括部分反射镜I 3和部分反射镜II 4，所述激光源1产生的泵浦光经过光隔离器I 2后注入所述部分反射镜I 3中，通过所述部分反射镜I 3将一束泵浦光分成两束，其中一束泵浦光依次经过反射镜VI 16、光隔离器III 17、反射镜VII 18和反射镜VIII 19注入所述低能量Stokes光放大系统I 11中进行放大；另一束泵浦光通过部分反射镜II 4将该光束又分为两束，其中一束泵浦光依次经过反射镜I 5和光隔离器II 6注入所述低能量Stokes光产生系统7中；另一束泵浦光依次经过光隔离器II 12、反射镜IV 13和反射镜V 14注入所述低能量Stokes光放大系统II 15中进行放大。第二分光系统为部分反射镜III 9，所述低能量Stokes光产生系统7产生的Stokes光依次经过反射镜II 8和部分反射镜III 9后将一束Stokes光分为两束Stokes光，其中一束Stokes光经过反射镜III（10）后注入所述低能量Stokes光放大系统I 11中；另一束Stokes光直接注入射镜V 14注入所述低能量Stokes光放大系统II 15中。本发明中采用的反射镜用于改变泵浦光、低能量斯托克斯光和高能量斯托克斯光的方向，部分反射镜用于将种子光和差生的低能量斯托克斯光进行分束，分别作用于不同的光路中进行放大。所述偏振片用于同旋光器组成隔离器、分离Stokes光和泵浦光以及用于最后的光束合成；聚焦透镜用于将透过所述聚焦透镜的光束进行会聚注入到介质池中；所述的二分之一波片用于改变Stokes光和泵浦光的偏振状态；所述的四分之一波片用于将光路中的线偏振光变成圆偏振光；所述介质池用于灌注可以产生受激布里渊散射的介质，用于产生低能量Stokes光以及放大低能量Stokes光。

图2给出了低能量Stokes光产生系统结构示意图。图2中种子光通过图1中的隔离器后注入到四分之一波片中，使得P偏振光变为圆偏振光，最后通过凸透镜将光聚焦进介质池中，通过受激布里渊效应以及受激布里渊相位共轭镜效应产生低能量Stokes光。

如图2所示，低能量Stokes光产生系统7包括偏振片I 7-1、四分之一波片I 7-2、平凸透镜7-3和介质池I 7-4；从光隔离器II 6输出的泵浦光注入所述偏振片I 7-1中用于透射光束中的P偏振光，P偏振光通过四分之一波片I 7-2后将P偏振光变为圆偏振光，圆偏振光通过平凸透镜7-3将光聚焦进介质池I 7-4中，在介质池I 7-4中通过受激布里渊效应以及受激布里渊相位共轭镜效应产生低能量Stokes光。介质池I 7-4的两边窗镜均为斜口，避免窗镜反射光对返回的Stokes光产生影响。平凸透镜7-3用于将透过所述平凸透镜的光束进行会聚注入到介质池中；所述的四分之一波片I 7-2用于将光路中的线偏振光变成圆偏振光；所述I 7-4用于灌注可以产生受激布里渊散射的介质，用于产生低能量Stokes光。

图3和图4出示的是低能量Stokes光放大系统结构示意图。由图2产生的低能量Stokes光通过部分反射镜，将光束分成两束分别进入图3和图4的放大系统中，提取泵浦光的能量，进行放大，放大后的泵浦光通过后面偏振片反射输出，剩余没有提取的泵浦光通过前面的偏振片反射出光路。放大后的两束高能量Stoeks光所走的光程相同，最后在合束的偏振片汇聚，实现共线相干输出。所述部分反射镜用于改变光束传播方向，且能够将光速分为多束能量相近、其他参数相同的两束光。本发明利用泵浦光放大低能量的Stokes光，实现高能量Stokes光的输出。所述的泵浦光和低能量Stokes光在进入介质池II 11-3和出介质池II 11-3后，需先后经过两个四分之一波片，以确保在介质池II 11-3作用后，放大后的光以及未被吸收的光的偏振状态发生改变，被偏振片反射出整个光路。

如图3所示，低能量Stokes光放大系统I 11包括偏振片II 11-1、四分之一波片II11-2、介质池II 11-3、四分之一波片III 11-4、偏振片III 11-5和光吸收斗I 11-6；泵浦光通过偏振片II 11-1和四分之一波片II 11-2被转换成为圆偏振光，后被注入到介质池II11-3中；低能量Stokes光依次通过偏振片III 11-5、四分之一波片III 11-4由P偏振光转换成圆偏振光注入进介质池II 11-3中，提取泵浦光的能量，放大后，通过四分之一波片II11-2转换成为S偏振光，通过偏振片II 11-1输出；剩余的泵浦光则通过四分之一波片III11-4转换成为S偏振光，通过偏振片III 11-5反射进光吸收斗I 11-6将剩余的光吸收。低能量Stokes光放大系统I 11通过将Stokes光同泵浦光一起注入到介质池II 11-3中，Stokes光和泵浦光分别从介质池II 11-3的两端共线注入，实现共线放大以达到最佳的放大效果。

如图4所示，低能量Stokes光放大系统II 15包括偏振片IV 15-1、四分之一波片IV15-2、介质池III 15-3、四分之一波片V 15-4、偏振片V 15-5和光吸收斗II 15-6；泵浦光通过偏振片IV 15-1和四分之一波片IV 15-2被转换成为圆偏振光，后被注入到介质池III15-3中；低能量Stokes光依次通过偏振片V 15-5、四分之一波片V 15-4由P偏振光转换成圆偏振光注入进介质池III 15-3中，提取泵浦光的能量，放大后，通过四分之一波片IV 15-2转换成为S偏振光，通过偏振片IV 15-1输出；剩余的泵浦光则通过四分之一波片V 15-4转换成为S偏振光，通过偏振片V 15-5反射进光吸收斗II 15-6将剩余的光吸收。低能量Stokes光放大系统II 15通过将Stokes光同泵浦光一起注入到介质池III 15-3中，Stokes光和泵浦光分别从介质池III 15-3的两端共线注入，实现共线放大以达到最佳的放大效果。

本发明采用的介质池I 7-4、介质池II 11-3和介质池III 15-3的介质是同一种介质。

图5出示的激光合束输出系统结构示意图。经过放大后的Stokes光通过偏振片反射进入合束输出系统中，其中一束直接通过偏振片反射输出，另一束通过反射镜反射，补偿两束光所走的光程差，并使该束光同另一束共线，通过二分之一波片后，将S偏振光转换成为P偏振光，两束光在最后合束偏振片中合束输出。

如图5所示，激光合束输出系统 20包括偏振片VI 20-1、反射镜IX 20-2、反射镜X20-3、反射镜XI 20-4和二分之一波片20-5；通过偏振片IV 15-1输出的第二束光依次通过反射镜IX 20-2、反射镜X 20-3、反射镜XI 20-4注入二分之一波片 20-5中，通过二分之一波片 20-5将光束转换成P偏振光，将P偏振光注入进偏振片VI 20-1中，同时通过偏振片II11-1输出的第一束光直接注入偏振片VI 20-1，两束光在偏振片VI 20-1中合束输出。

本发明提供了一种大能量固体激光相干合束系统，不但可以获得高能量激光输出，输出激光的光束质量良好，为大能量固体激光器的产生提供了一条新的思路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。