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200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究

康治军 张鸿博 闫晓超 郎野 白振岙 樊仲维

康治军, 张鸿博, 闫晓超, 郎野, 白振岙, 樊仲维. 200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究[J]. 中国光学, 2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736
引用本文: 康治军, 张鸿博, 闫晓超, 郎野, 白振岙, 樊仲维. 200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究[J]. 中国光学, 2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736
KANG Zhi-jun, ZHANG Hong-bo, YAN Xiao-chao, LANG Ye, BAI Zhen-ao, FAN Zhong-wei. 200 Hz high repetition frequency SBS pulse width compression experiment[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736
Citation: KANG Zhi-jun, ZHANG Hong-bo, YAN Xiao-chao, LANG Ye, BAI Zhen-ao, FAN Zhong-wei. 200 Hz high repetition frequency SBS pulse width compression experiment[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736

200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究

doi: 10.3788/CO.20181105.0736
基金项目: 

国家重大科研装备研制项目 ZDYZ2013-2

详细信息
    作者简介:

    康治军(1980-)男, 福建南平人, 硕士, 高级工程师, 主要从事高功率SBS相位共轭激光器及其应用方面的研究。E-mail:kzjun1221@126.com

    樊仲维(1965—),男,吉林桦甸人,博士,研究员,博士生导师,主要从事高功率超短脉冲激光及非线性光学方面的研究。E-mail:fangzhongwei@aoe.ac.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

200 Hz high repetition frequency SBS pulse width compression experiment

Funds: 

the National Research and Development Projects for Key Scientific Instruments ZDYZ2013-2

More Information
  • 摘要: 受激布里渊散射(SBS)脉宽压缩是实现高峰值功率、短脉冲激光输出的重要途径之一,然而,目前SBS脉宽压缩仅限于1~10 Hz低重复频率激光器,限制了高重频短脉冲激光器在激光雷达、空间碎片探测以及目标成像等领域的应用。基于此,开展了高重复频率下的SBS脉宽压缩实验研究。设计搭建了高重复频率的主振荡放大激光器,开展了SBS二次级联脉宽压缩和SBS振荡放大双池脉宽压缩实验。通过SBS二次级联压缩实现了脉冲宽度从~32 ns压缩到~1.9 ns,脉宽压缩比达16倍;而通过SBS振荡放大双池结构实现了脉冲宽度从~4 ns压缩到376 ps,脉宽压缩比达10倍。实验结果表明,采用该超净封闭型SBS相位共轭镜,在Stokes光输出能量达50 mJ时,无光学击穿现象,实现了在200 Hz高重复频率下的SBS脉宽压缩。
  • 图  1  SBS二次级联压缩激光器装置

    Figure  1.  Laser device of two cascade SBS pulse width compression

    图  2  SBS振荡放大双池脉宽压缩激光器装置

    Figure  2.  Laser device of SBS oscillation amplification double cell structure

    图  3  SBS二次级联脉宽压缩光路图

    Figure  3.  Schematic diagram of two cascade SBS pulse width compression

    图  4  第一级SBS脉宽压缩(左)和第二级SBS脉宽压缩(右)波形图

    Figure  4.  Pulse waveform diagram of first stage SBS pulse width compression (left) and second stage SBS pulse width compression (right)

    图  5  SBS振荡放大双池结构光路示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of SBS oscillation amplification double cell structure

    图  6  SBS振荡放大双池脉宽压缩波形图

    Figure  6.  Pulse waveform diagram of SBS oscillation amplification double cell pulse width compression

    图  7  不同泵浦能量下SBS脉宽压缩的Stokes光波形图

    Figure  7.  Stokes light waveforms of SBS pulse width compression under different pumping energy

    图  8  SBS相位共轭光束畸变补偿前后光斑图

    Figure  8.  Intensity profiles of distortion compensation of SBS phase conjugate

    表  1  SBS介质物理化学特性

    Table  1.   Physical and chemical properties of SBS medium

    液体 运动粘度/
    CSt
    声子寿命/
    ns
    增益系数/
    (cm·GW-1)
    SBS频移/
    MHz
    吸收系数/
    cm
    OBT/
    (GW·cm-2)
    FC-770 0.793 0.57 3.5 1 081 0.001 1 198
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-09
  • 修回日期:  2018-03-06
  • 刊出日期:  2018-10-01

200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究

doi: 10.3788/CO.20181105.0736
    基金项目:

    国家重大科研装备研制项目 ZDYZ2013-2

    作者简介:

    康治军(1980-)男, 福建南平人, 硕士, 高级工程师, 主要从事高功率SBS相位共轭激光器及其应用方面的研究。E-mail:kzjun1221@126.com

    樊仲维(1965—),男,吉林桦甸人,博士,研究员,博士生导师,主要从事高功率超短脉冲激光及非线性光学方面的研究。E-mail:fangzhongwei@aoe.ac.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

摘要: 受激布里渊散射(SBS)脉宽压缩是实现高峰值功率、短脉冲激光输出的重要途径之一,然而,目前SBS脉宽压缩仅限于1~10 Hz低重复频率激光器,限制了高重频短脉冲激光器在激光雷达、空间碎片探测以及目标成像等领域的应用。基于此,开展了高重复频率下的SBS脉宽压缩实验研究。设计搭建了高重复频率的主振荡放大激光器,开展了SBS二次级联脉宽压缩和SBS振荡放大双池脉宽压缩实验。通过SBS二次级联压缩实现了脉冲宽度从~32 ns压缩到~1.9 ns,脉宽压缩比达16倍;而通过SBS振荡放大双池结构实现了脉冲宽度从~4 ns压缩到376 ps,脉宽压缩比达10倍。实验结果表明,采用该超净封闭型SBS相位共轭镜,在Stokes光输出能量达50 mJ时,无光学击穿现象,实现了在200 Hz高重复频率下的SBS脉宽压缩。

English Abstract

康治军, 张鸿博, 闫晓超, 郎野, 白振岙, 樊仲维. 200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究[J]. 中国光学, 2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736
引用本文: 康治军, 张鸿博, 闫晓超, 郎野, 白振岙, 樊仲维. 200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究[J]. 中国光学, 2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736
KANG Zhi-jun, ZHANG Hong-bo, YAN Xiao-chao, LANG Ye, BAI Zhen-ao, FAN Zhong-wei. 200 Hz high repetition frequency SBS pulse width compression experiment[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736
Citation: KANG Zhi-jun, ZHANG Hong-bo, YAN Xiao-chao, LANG Ye, BAI Zhen-ao, FAN Zhong-wei. 200 Hz high repetition frequency SBS pulse width compression experiment[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736
    • 高峰值功率短脉冲激光在等离子体产生[1]、非线性光学和激光精细光谱研究、汤姆逊散射激光雷达(LIDAR)诊断、激光探测与测距[2]、光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)泵浦以及激光医疗等领域有着重要的应用价值。而受激布里渊散射(SBS)脉冲压缩是实现高峰值功率短脉冲激光的一种有效技术手段[3],它在脉宽压缩的同时,具有非常高的SBS能量转换效率,可使峰值功率提高至数十倍,而且具备相位共轭光束质量改善能力[4-5]。所以,一直是高强度短脉冲激光领域的研究热点。

      1998年,Kmetik等人报道了10 Hz/~500 mJ/900 ps的SBS脉宽压缩激光用于极紫外和X射线产生[6];2006年,MITRA等人实现10 Hz/770 ps/1.5 J的SBS脉宽压缩用于汤姆逊散射激光雷达诊断[7];2014年,Ogino等人采用10 Hz/400 ps/34 mJ的SBS脉宽压缩激光器用于OPCPA泵浦[8];2017年,Tarasov等人实现了10 Hz/300 mJ/400~750 ps的SBS脉宽压缩用于激光医疗[9]。但是,迄今为止,SBS脉宽压缩主要集中在1~10 Hz低重复频率激光器的脉宽压缩研究。如,2009年,日本大阪大学Yoshida等人采用FC-40介质振荡放大双池结构实现低重频下160 ps的单次脉冲压缩[10-11];2013年,柏林光学与原子物理所Lux等人采用单池结构实现了10 mJ/800 ps的脉宽压缩,重复频率为10 Hz[12];2014年,新墨西哥大学Xu等人采用独立双池结构实现1.25 Hz/1.2 J/330 ps的高稳定性脉宽压缩[13];2017年,新墨西哥大学Feng等人采用独立双池结构获得了1.3 J/170 ps声子寿命极限的脉宽压缩,工作频率为1 Hz[14]。国内,2016年,哈尔滨工业大学白振旭等人采用紧凑单池振荡放大结构实现420 mJ/430 ps的脉宽压缩,泵浦源为低重频工作的灯泵激光器[15];2015年,哈尔滨工业大学王雨雷等人采用非聚焦池结构实现了3 J/360 ps的脉宽压缩,激光器为单次脉冲的钕玻璃激光器[16]

      目前,高重复频率条件下的SBS脉宽压缩研究极少报道,仅有2001年,A.A.Shilov等人报道了100 Hz重复频率/350 ps的SBS脉宽压缩,但只能在2.4 mJ低能量下工作,并且分析了SBS光学击穿现象随着重复频率增加而非线性增长原因是由于SBS介质杂质颗粒吸收造成,而且SBS的热累积效应严重影响相位共轭保真度、反射率以及脉冲波形稳定性等参数[17],其中,SBS热累积效应与泵浦脉宽和重复频率之间乘积密切相关。高重频激光器运行下,为抑制SBS热效应必须满足临界脉宽与重频工作下总的泵浦光脉宽之间比值大于SBS泵浦光焦斑位置的热扩散时间,即τcr为临界脉宽,τL为泵浦光脉宽,f为重复频率,τd为热扩散时间,在泵浦脉宽不变情况下,随着重复频率增加,SBS的热效应将愈发严重,因此,SBS介质的热效应限制了SBS的高重复频率工作。然而高重复频率高强度短脉冲激光器在远程测距、空间碎片探测以及目标成像等领域具有明确应用,如激光测月要求200 Hz/300 mJ的百皮秒级高重频短脉冲输出,高重复频率可以提高测距回波光子数和探测概率,而百皮秒级短脉冲激光则可以显著提高测距精度。因此,为克服高重频SBS的光学损伤,通常采用SBS液体循环或旋转楔形镜动态运行来提升SBS承载能力和相位共轭特性。2010年,王雨雷等人报道在10 Hz重频下,通过SBS产生池液体循环装置或楔形镜旋转结构,可提升SBS损伤阈值[18-19],但SBS旋转结构无法避免造成系统庞大复杂、工程适用性差。

      本文采用超净封闭型SBS相位共轭镜,无需循环池及楔形镜旋转结构装置下,克服了高重频SBS的光学击穿与热效应制约瓶颈,实现了200 Hz重复频率的SBS脉宽压缩,并且开展了主振荡放大激光器(MOPA)SBS脉宽二次压缩与SBS振荡放大脉宽压缩对比实验,在200 Hz重复频率下,采用SBS二次级联压缩结构实现了从30 ns到1.9 ns的脉宽压缩,采用SBS振荡放大池结构实现了从4 ns到376 ps的脉宽压缩。

    • 实验装置如图 1所示,激光器装置由种子源、预放大单元和功率放大单元组成,SBS二次级联压缩由两个SBS池子构成。种子源为声光调Q的Nd:YAG单纵模激光器,通过标准具选单与腔长伺服反馈控制系统确保100%单纵模输出。种子光首先通过模式匹配透镜L1进入预放大单元,为防止预放大单元反馈光对单频种子源造成的影响,加入两个光隔离器;预放大单元由两个直径Φ 3 mm的侧泵模块构成,为减小侧泵模块热致双折射引起的退偏损耗,在两个Φ 3 mm模块之间加入90°石英旋光器和负透镜对其进行补偿;经过Φ 3 mm模块单程放大后,依次经过1/4波片和全反镜,经全反镜反射后,再次经过两个Φ 3 mm模块进行双程放大,并从隔离器2反射后经过像传递系统进入功率放大单元;功率放大单元由两个直径Φ 6.35 mm的侧泵模块构成,中间加入90°石英旋光器和负透镜对热致双折射进行补偿;经过Φ 6.35 mm模块单程放大后,依次经过1/4波片、聚焦透镜和第1级SBS相位共轭镜,放大光束经过第1级SBS脉宽压缩后,反射的Stokes光再次经过Φ 6.35 mm模块双程放大,再进入第2级SBS池进行脉宽压缩,最后从偏振片P2反射输出。

      图  1  SBS二次级联压缩激光器装置

      Figure 1.  Laser device of two cascade SBS pulse width compression

    • 实验装置原理图如图 2所示,SBS振荡放大压缩激光器采用相同的MOPA放大光路,但SBS脉宽压缩装置采用振荡放大双池结构。如图所示,种子光经过两个Φ 3 mm侧泵模块双程放大后,再经过两个Φ 6.35 mm侧泵模块单程放大之后经过1/4波片、扩束镜、聚焦镜,最后泵浦光依次进入SBS放大池和产生池进行脉宽压缩,由SBS产生池产生的Stokes光,进入SBS放大池放大后,再次经过两个Φ 6.35 mm侧泵模块双程放大后偏振耦合输出,SBS产生池和放大池长L=500 mm。

      图  2  SBS振荡放大双池脉宽压缩激光器装置

      Figure 2.  Laser device of SBS oscillation amplification double cell structure

    • SBS脉宽压缩与泵浦光参数、SBS介质参数、SBS池子结构密切相关,如式所示:

      (1)

      脉宽压缩比与SBS介质的尺寸、增益系数、泵浦光强度成反比,而与介质的声子寿命成正比,为获得短的SBS脉宽压缩,需要选择声子寿命短的SBS介质;为获得高效Stokes放大,需要选择足够高增益系数介质;为满足高损伤阈值要求,需要选择具有低吸收高负载能力的液体SBS介质;因此,为满足高重频激光器SBS脉宽压缩要求,本文选择具有高增益系数、低吸收系数以及高损伤阈值的氟化碳FC-770作为SBS介质,其物理化学特性如表 1所示。

      表 1  SBS介质物理化学特性

      Table 1.  Physical and chemical properties of SBS medium

      液体 运动粘度/
      CSt
      声子寿命/
      ns
      增益系数/
      (cm·GW-1)
      SBS频移/
      MHz
      吸收系数/
      cm
      OBT/
      (GW·cm-2)
      FC-770 0.793 0.57 3.5 1 081 0.001 1 198

      另外,SBS介质光学击穿除介质本身的物理化学性质外,还取决于介质中杂质悬浮颗粒的数量和大小,杂质颗粒通过大量吸收光能,局部加热电离产生自由电子引发雪崩效应,进而发生光学击穿。因此,介质杂质颗粒越大,光学击穿阈值越低;介质杂质颗粒越多,发生光学击穿概率越高;而且在高重复频率激光运行下,SBS击穿概率非线性增加,这也是目前SBS脉宽压缩仅限于1~10 Hz低重复频率工作的原因。为减小SBS介质杂质颗粒,采用多层薄膜循环超滤技术,将杂质微颗粒控制在0.1 μm以下,可大大提高SBS介质损伤阈值,基于该超净封闭型SBS池开展200 Hz高重频SBS脉宽压缩实验。

    • SBS二次级联压缩通过第一个SBS池子进行脉宽压缩,将反射回来的Stokes光接着经过第二个SBS池子再次进行压缩,如图 3所示。

      图  3  SBS二次级联脉宽压缩光路图

      Figure 3.  Schematic diagram of two cascade SBS pulse width compression

      SBS二次脉宽压缩的泵浦源通过MOPA放大激光器产生,种子光脉冲能量为8 μJ,经过两个Φ 3 mm侧泵模块双程放大后,输出能量达15 mJ,再通过像传递进入两个Φ 6.35 mm模块放大后,输出能量达100 mJ,脉冲宽度~32 ns。该泵浦光通过f=300 mm的聚焦镜耦合进第一个SBS池,经过第一级SBS脉宽压缩后,Stokes光经过Φ 6.35 mm模块双程放大后,进入第二级SBS池子二次脉宽压缩。实验结果如图 4(左)所示,第一次SBS脉冲压缩将脉宽从~32 ns压缩到~8 ns,但脉冲上升沿陡峭,上升沿达到~1 ns,呈现上升沿抖下降沿缓的脉冲波形。这是由于SBS脉宽压缩利用受激布里渊散射的阈值效应所致,当泵浦光强超过SBS阈值后,产生初始后向传输的Stokes光与正向传输的泵浦光相遇产生干涉,从而加强声波光栅,该声波光栅不断反射泵浦光,使得泵浦光能量几乎全部转移到Stokes光,而且由于初始的Stokes光前沿首先与剩余泵浦光脉冲相遇,因此,Stokes光脉冲前沿因增益饱和效应被优先放大而上升很快,后沿则很少参与耦合放大,从而实现很窄的前抖后缓SBS脉冲压缩。第二次SBS脉宽压缩如图 4(右)所示,脉冲宽度从~8 ns脉宽压缩到脉宽主峰1.9 ns,脉冲前沿更加陡峭,上升沿达到~600 ps,但后沿明显出现很长拖尾现象。其原因如下:为获得最佳SBS脉宽压缩,SBS最佳池长应为泵浦光脉冲宽度一半时的光程长,在二次级联脉宽压缩实验中,泵浦光经过第一次SBS压缩后,脉冲宽度为8 ns,其对应的SBS脉宽压缩最佳池长应为1.2 m,而在第二级SBS脉宽压缩时,SBS池长只有~450 mm,SBS池子相互作用长度不足以完全实现Stokes光进行能量转换,后向传输的Stokes光随着声波光栅移出SBS池,即产生的1.9 ns脉冲主峰移出SBS池,而剩余部分的泵浦光脉冲只呈现反射特性,并没有进行脉冲压缩,从而使得脉冲尾部产生拖尾现象。

      图  4  第一级SBS脉宽压缩(左)和第二级SBS脉宽压缩(右)波形图

      Figure 4.  Pulse waveform diagram of first stage SBS pulse width compression (left) and second stage SBS pulse width compression (right)

      从实验结果可以看出,二次级联SBS脉宽压缩从~32 ns压缩到~1.9 ns,具有很高的脉宽压缩比,而且当第一级SBS泵浦能量达100 mJ时,经过两个Φ 6.35 mm模块放大后,输出能量达到300 mJ,SBS饱和反射率达94%,该封闭型SBS在200 Hz重频下工作无任何光学击穿现象。同时,SBS二次级联脉宽压缩拖尾现象严重,由于SBS池长受限所致,为了能获得更短的脉宽压缩,将进一步通过减小MOPA放大激光器脉宽实现百pS级的SBS脉宽压缩。

    • 图 5所示,采用振荡放大双池结构开展SBS脉宽压缩实验,首先MOPA放大激光经过扩束镜准直后,经过f=1 000 mm长焦透镜耦合进SBS放大池,然后再经过f=400 mm的聚焦镜耦合进SBS产生池。为获得百ps级的脉宽压缩,采用脉冲宽度为~4 ns的种子源,经过MOPA放大后输出能量可达到100 mJ,为避免百ps级脉宽对双程放大侧泵模块的光学损伤,将SBS注入能量控制在30 mJ以下。

      图  5  SBS振荡放大双池结构光路示意图

      Figure 5.  Schematic diagram of SBS oscillation amplification double cell structure

      图 6所示,当SBS注入能量达30 mJ时,采用上升时间47 ps、带宽8 GHz的示波器(DP070804C)测量Stokes光脉宽,脉冲宽度从~4 ns压缩到376 ps,但脉冲尾部略有调制,这是由于SBS产生池长度不够长,SBS最佳池长应为泵浦光脉冲宽度一半时的光程长,而泵浦光脉宽为4 ns,其对应的最佳SBS相互作用长度为600 mm,SBS池长只有500 mm,因此,当后向传输的Stokes光随着声波光栅移出SBS池的时候,剩余的泵浦光再次产生SBS效应,从而使得脉冲尾部产生调制。

      图  6  SBS振荡放大双池脉宽压缩波形图

      Figure 6.  Pulse waveform diagram of SBS oscillation amplification double cell pulse width compression

      SBS脉宽压缩波形不仅与泵浦光脉宽、SBS池长有关,而且与泵浦光强、SBS阈值起始时刻密切相关,如图 7所示,在不同注入能量下,SBS产生池产生的Stokes光脉冲波形,从实验结果可以看出,当泵浦光能量在SBS阈值附近时,SBS起始时刻靠近脉冲尖峰位置,由于SBS阈值效应,Stokes光上升沿陡峭,但当Stokes光移出SBS池窗口位置时(即红色点位置),剩余的泵浦光只被声波光栅反射而没有脉宽压缩效应,因此Stokes光未被压窄部分的脉冲包络呈高斯型。随着泵浦光能量增加,SBS阈值起始时刻逐渐移向泵浦光脉冲前沿底部,Stokes光上升沿光强则变得更强,而Stokes光脉冲下降沿逐渐有凸起,这也是造成SBS振荡放大双池结构Stokes光脉冲尾部调制的原因。

      图  7  不同泵浦能量下SBS脉宽压缩的Stokes光波形图

      Figure 7.  Stokes light waveforms of SBS pulse width compression under different pumping energy

      当SBS注入能量30 mJ,经过两个Φ 6.35 mm模块双程放大后,Stokes输出能量达到50 mJ,而且SBS在脉宽压缩的同时,利用相位共轭特性对光束畸变进行补偿,使得光束质量明显得到改善。如图 8所示,当MOPA放大光束经过Φ 6.35 mm单程放大后,光束产生畸变,光强产生调制,而经过SBS双程放大后,由于SBS的空间滤波效应,消除了高阶畸变,获得了匀滑的高斯光强分布,利用该封闭型SBS相位共轭镜在200 Hz重复频率下运行,无光学击穿现象。

      图  8  SBS相位共轭光束畸变补偿前后光斑图

      Figure 8.  Intensity profiles of distortion compensation of SBS phase conjugate

    • 本文设计搭建了高重复频率工作的SBS脉宽压缩激光器。利用封闭型SBS相位共轭镜作为脉宽压缩装置,开展了200 Hz重频SBS二次级联脉宽压缩和振荡放大双池结构脉宽压缩实验。在SBS二次级联脉宽压缩实验中,实现了脉冲宽度从~32 ns压缩到脉冲主峰1.9 ns,脉宽压缩倍率达16倍;而在振荡放大双池结构脉宽压缩实验中,实现了脉冲宽度从~4 ns压缩到376 ps,脉宽压缩倍率达10倍,Stokes光输出能量约50 mJ,SBS相位共轭镜无任何光学击穿现象发生。实验结果表明,本文所采用的封闭型SBS相位共轭镜,完全可以适用于高重复频率的SBS脉宽压缩,而采用SBS振荡放大双池结构可以将脉宽压缩至数百皮秒,且具有更好的承载能力,下一步将开展更高平均功率的SBS脉宽压缩实验。

参考文献 (19)

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