基于SBS的千赫兹级亚纳秒激光脉冲压缩技术研究
发布时间：2022-01-16 11:47
高重频大能量的亚纳秒脉冲激光在多普勒激光测风雷达、空间碎片激光雷达探测、汤姆逊散射诊断、医学激光美容等领域有着重要而广泛的应用。受激布里渊散射（SBS）是一种将纳秒长脉冲压缩至亚纳秒脉冲的简单高效的脉宽压缩技术,该技术与主振荡功率放大（MOPA）技术结合可以解决激光器在高重频、大能量、亚纳秒脉冲和高效率参数方面难以同时兼顾的问题。然而,目前SBS脉冲压缩的工作重复频率局限于200 Hz以下。为了获得k Hz级的亚纳秒脉冲,本论文对高重频SBS脉冲压缩中存在的关键问题开展了系统的实验研究。论文回顾了高重频大能量亚纳秒脉冲激光器的研究概况,详细阐述了SBS脉冲压缩介质、压缩结构及工作重复频率的研究现状,并分析了限制SBS脉冲压缩重复频率提高的问题及原因。首先,阐述了脉冲压缩技术的基本理论。考虑泵浦光场的横向空间分布影响,建立了描述空间二维SBS脉冲压缩过程的瞬态理论数值模型。并建立了考虑介质的电致伸缩效应和热效应过程的受激热布里渊散射（STBS）理论模型和求解介质中温度场分布的重复频率脉冲激光加热介质的三维温度场模型。其次,SBS压缩空间横截面上非均匀脉宽分布的主要原因是泵浦光束的高斯强度...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
ZhenxuBai等人的实验装置图[43]
第1章绪论-5-功率，峰值功率达到了48.3MW。图1-4ZhenxuBai等人的实验装置图[43]Fig.1-4ExperimentalsetupofXhenxuBai[43]2018年，中国科学院光电研究院的樊仲维等人[19]利用MOPA放大结构和SBS相位共轭镜（Stimulated-Brillouin-scatteringPhase-conjugateMirror，SBS-PCM），如图1-5所示，获得了重复频率500Hz，单脉冲能量1.1J，脉宽10ns的激光输出。通过将SBS-PCM的杂质颗粒尺寸控制在40nm以下，采用封闭型SBS-PCM大大提高了其热负荷能力，实现了高达92％的SBS能量反射率，并且没有出现光学击穿现象。图1-5樊仲维等人的实验装置图[19]Fig.1-5ExperimentalsetupofZhongweiFan[19]综上所述，窄脉宽大能量激光器的重复频率较低，而高重复频率亚纳秒激光器的单脉冲能量又较低，同时兼备高重复频率、大能量和亚纳秒脉冲这三个参数的单纵模激光器不容易实现。二极管泵浦的MOPA放大技术很容易获得高重频纳秒脉冲激光，而基于
池或锥形波导结构、紧凑双池结构、独立双池结构等。最早应用于SBS脉冲压缩的结构为聚焦单池结构，也是最简单的SBS压缩结构。基于FC-75液体介质，日本大阪大学的ViliamKmetik等研究人员[39]采用单池压缩结构，如图1-1所示。SBS能量效率为94%，系统总能量效率为87%。为了提高SBS脉冲压缩的注入能量，采用紧凑双池结构可以获得更短的压缩脉冲。泵浦光穿过放大池后，通过一个短焦距透镜聚焦到产生池中，可以通过调节聚焦透镜的焦距和介质池长度优化SBS脉冲压缩。日本大阪大学的H.Yoshida等研究人员[11]采用的紧凑双池结构如图1-6所示，把13ns的脉冲激光压缩至160ps，压缩脉冲的亮度是注入激光的65倍。当注入能量为1J时SBS能量转化效率大于80%。证明了FC-40液体是一种产生短脉冲的有效压缩介质，及紧凑双池结构是一种压缩性能良好的压缩结构。文中采用一个大尺寸光电管测量了覆盖整个光束直径的时域分布。压缩脉冲的下降时间较缓慢，这是由于光束空间边缘的光功率强度降低所致。抽运光束（如高斯空间模式）仅在光束中心附近被高度压缩，而在光束边缘位置的压缩效果则要小得多。指出当SBS压缩过程在100mW/cm2左右达到饱和状态时，会抑制空间光束分布的脉宽变化，但是没有详细研究SBS空间脉宽的变化趋势。图1-6紧凑双池SBS脉冲压缩结构示意图[11]Fig.1-6Setupofcompacttwo-cellSBSpulsecompression[11]
【参考文献】：
期刊论文
[1]受激布里渊散射Stokes脉冲展宽现象抑制研究[J]. 刘照虹,李森森,白振旭,樊榕,齐瑶瑶,王雨雷,吕志伟. 光电技术应用. 2019(02)
[2]200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究[J]. 康治军,张鸿博,闫晓超,郎野,白振岙,樊仲维. 中国光学. 2018(05)
[3]比较皮秒与纳秒Q开关翠绿宝石激光治疗褐青色痣的研究——一项长期的随机单盲半脸对照试验[J]. 张振,于文友,徐慧,林晓曦. 中国激光医学杂志. 2018(02)
[4]Diode-pumped power scalable Kerr-lens mode-locked Yb:CYA laser[J]. WENLONG TIAN,YINGNAN PENG,ZIYUE ZHANG,ZIJIAO YU,JIANGFENG ZHU,XIAODONG XU,ZHIYI WEI. Photonics Research. 2018(02)
[5]相位共轭镜在激光器中的应用[J]. 程玉梅. 科技创新导报. 2017(35)
[6]31kW窄线宽线偏振纳秒全光纤激光器[J]. 李川,韩一平,赵文娟. 中国激光. 2018(04)
[7]天宫一号飞行器失效后激光测距实验分析[J]. 孙明国,高鹏骐,李振伟,孙建南,董雪,赵有. 科学通报. 2017(24)
[8]用于空间碎片探测的百赫兹3.31 J高光束质量全固态Nd:YAG激光器[J]. 樊仲维,邱基斯,唐熊忻,白振岙,康治军,葛文琦,王昊成,刘昊,刘悦亮. 物理学报. 2017(05)
[9]Compact optoelectronic oscillator based on a Fabry-Perot resonant electro-optic modulator[J]. 戴键,戴一堂,尹飞飞,周月,李建强,樊宇婷,徐坤. Chinese Optics Letters. 2016(11)
[10]Generation of high-energy 284 ps laser pulse without tail modulation by stimulated Brillouin scattering[J]. 刘照虹,王雨雷,王一锐,远航,白振旭,王红丽,刘瑞,李森森,张恒康,周罗贤,谭谈,何伟明,吕志伟. Chinese Optics Letters. 2016(09)
博士论文
[1]基于主动频率匹配SBS的百皮秒激光脉冲放大技术研究[D]. 远航.哈尔滨工业大学 2018
硕士论文
[1]受激布里渊散射波前畸变校正技术研究[D]. 陈明莎.西安理工大学 2018
[2]激光加热Al2O3陶瓷温度场特性研究[D]. 耿鹰鸽.西安建筑科技大学 2017
[3]全氟碳系列介质的SBS百皮秒脉冲压缩及布里渊放大特性研究[D]. 赵航.哈尔滨工业大学 2015
[4]百皮秒激光脉冲布里渊放大时域特性研究[D]. 赵朋华.哈尔滨工业大学 2014
[5]SBS百皮秒脉冲压缩特性的研究[D]. 王雪阳.哈尔滨工业大学 2013
[6]基于SBS脉冲压缩产生百皮秒脉冲及尾部调制抑制的研究[D]. 张昀.哈尔滨工业大学 2012
[7]SBS百皮秒脉冲压缩介质研究[D]. 仲召明.哈尔滨工业大学 2012
[8]基于短寿命介质SBS短脉冲压缩的研究[D]. 李杏.哈尔滨工业大学 2011
[9]重复频率受激布里渊散射光束波前畸变补偿的研究[D]. 李勇.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3592599
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
ZhenxuBai等人的实验装置图[43]
第1章绪论-5-功率，峰值功率达到了48.3MW。图1-4ZhenxuBai等人的实验装置图[43]Fig.1-4ExperimentalsetupofXhenxuBai[43]2018年，中国科学院光电研究院的樊仲维等人[19]利用MOPA放大结构和SBS相位共轭镜（Stimulated-Brillouin-scatteringPhase-conjugateMirror，SBS-PCM），如图1-5所示，获得了重复频率500Hz，单脉冲能量1.1J，脉宽10ns的激光输出。通过将SBS-PCM的杂质颗粒尺寸控制在40nm以下，采用封闭型SBS-PCM大大提高了其热负荷能力，实现了高达92％的SBS能量反射率，并且没有出现光学击穿现象。图1-5樊仲维等人的实验装置图[19]Fig.1-5ExperimentalsetupofZhongweiFan[19]综上所述，窄脉宽大能量激光器的重复频率较低，而高重复频率亚纳秒激光器的单脉冲能量又较低，同时兼备高重复频率、大能量和亚纳秒脉冲这三个参数的单纵模激光器不容易实现。二极管泵浦的MOPA放大技术很容易获得高重频纳秒脉冲激光，而基于
池或锥形波导结构、紧凑双池结构、独立双池结构等。最早应用于SBS脉冲压缩的结构为聚焦单池结构，也是最简单的SBS压缩结构。基于FC-75液体介质，日本大阪大学的ViliamKmetik等研究人员[39]采用单池压缩结构，如图1-1所示。SBS能量效率为94%，系统总能量效率为87%。为了提高SBS脉冲压缩的注入能量，采用紧凑双池结构可以获得更短的压缩脉冲。泵浦光穿过放大池后，通过一个短焦距透镜聚焦到产生池中，可以通过调节聚焦透镜的焦距和介质池长度优化SBS脉冲压缩。日本大阪大学的H.Yoshida等研究人员[11]采用的紧凑双池结构如图1-6所示，把13ns的脉冲激光压缩至160ps，压缩脉冲的亮度是注入激光的65倍。当注入能量为1J时SBS能量转化效率大于80%。证明了FC-40液体是一种产生短脉冲的有效压缩介质，及紧凑双池结构是一种压缩性能良好的压缩结构。文中采用一个大尺寸光电管测量了覆盖整个光束直径的时域分布。压缩脉冲的下降时间较缓慢，这是由于光束空间边缘的光功率强度降低所致。抽运光束（如高斯空间模式）仅在光束中心附近被高度压缩，而在光束边缘位置的压缩效果则要小得多。指出当SBS压缩过程在100mW/cm2左右达到饱和状态时，会抑制空间光束分布的脉宽变化，但是没有详细研究SBS空间脉宽的变化趋势。图1-6紧凑双池SBS脉冲压缩结构示意图[11]Fig.1-6Setupofcompacttwo-cellSBSpulsecompression[11]
【参考文献】：
期刊论文
[1]受激布里渊散射Stokes脉冲展宽现象抑制研究[J]. 刘照虹,李森森,白振旭,樊榕,齐瑶瑶,王雨雷,吕志伟. 光电技术应用. 2019(02)
[2]200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究[J]. 康治军,张鸿博,闫晓超,郎野,白振岙,樊仲维. 中国光学. 2018(05)
[3]比较皮秒与纳秒Q开关翠绿宝石激光治疗褐青色痣的研究——一项长期的随机单盲半脸对照试验[J]. 张振,于文友,徐慧,林晓曦. 中国激光医学杂志. 2018(02)
[4]Diode-pumped power scalable Kerr-lens mode-locked Yb:CYA laser[J]. WENLONG TIAN,YINGNAN PENG,ZIYUE ZHANG,ZIJIAO YU,JIANGFENG ZHU,XIAODONG XU,ZHIYI WEI. Photonics Research. 2018(02)
[5]相位共轭镜在激光器中的应用[J]. 程玉梅. 科技创新导报. 2017(35)
[6]31kW窄线宽线偏振纳秒全光纤激光器[J]. 李川,韩一平,赵文娟. 中国激光. 2018(04)
[7]天宫一号飞行器失效后激光测距实验分析[J]. 孙明国,高鹏骐,李振伟,孙建南,董雪,赵有. 科学通报. 2017(24)
[8]用于空间碎片探测的百赫兹3.31 J高光束质量全固态Nd:YAG激光器[J]. 樊仲维,邱基斯,唐熊忻,白振岙,康治军,葛文琦,王昊成,刘昊,刘悦亮. 物理学报. 2017(05)
[9]Compact optoelectronic oscillator based on a Fabry-Perot resonant electro-optic modulator[J]. 戴键,戴一堂,尹飞飞,周月,李建强,樊宇婷,徐坤. Chinese Optics Letters. 2016(11)
[10]Generation of high-energy 284 ps laser pulse without tail modulation by stimulated Brillouin scattering[J]. 刘照虹,王雨雷,王一锐,远航,白振旭,王红丽,刘瑞,李森森,张恒康,周罗贤,谭谈,何伟明,吕志伟. Chinese Optics Letters. 2016(09)
博士论文
[1]基于主动频率匹配SBS的百皮秒激光脉冲放大技术研究[D]. 远航.哈尔滨工业大学 2018
硕士论文
[1]受激布里渊散射波前畸变校正技术研究[D]. 陈明莎.西安理工大学 2018
[2]激光加热Al2O3陶瓷温度场特性研究[D]. 耿鹰鸽.西安建筑科技大学 2017
[3]全氟碳系列介质的SBS百皮秒脉冲压缩及布里渊放大特性研究[D]. 赵航.哈尔滨工业大学 2015
[4]百皮秒激光脉冲布里渊放大时域特性研究[D]. 赵朋华.哈尔滨工业大学 2014
[5]SBS百皮秒脉冲压缩特性的研究[D]. 王雪阳.哈尔滨工业大学 2013
[6]基于SBS脉冲压缩产生百皮秒脉冲及尾部调制抑制的研究[D]. 张昀.哈尔滨工业大学 2012
[7]SBS百皮秒脉冲压缩介质研究[D]. 仲召明.哈尔滨工业大学 2012
[8]基于短寿命介质SBS短脉冲压缩的研究[D]. 李杏.哈尔滨工业大学 2011
[9]重复频率受激布里渊散射光束波前畸变补偿的研究[D]. 李勇.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3592599
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