同軸正交偏振雙脈沖序列受激布里淵散射抽運放大的實現方法＊

陳旭東 石錦衛 劉 娟 劉 寶 許艷霞 史久林 劉大禾?

1)(北京師范大學物理系,應用光學北京市重點實驗室,北京 100875)

2)(南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063)

同軸正交偏振雙脈沖序列受激布里淵散射抽運放大的實現方法＊

陳旭東1)石錦衛1)劉 娟1)2)劉 寶1)許艷霞1)史久林2)劉大禾1)2)?

1)(北京師范大學物理系,應用光學北京市重點實驗室,北京 100875)

2)(南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063)

(2009年1月5日收到;2009年3月6日收到修改稿)

利用受激布里淵散射放大時抽運光與種子光可以有一時間延遲的特性,設計了一個同軸傳播正交偏振雙脈沖序列的偏振控制裝置,使同軸傳播的兩個正交偏振脈沖光束在放大時具有相同的偏振態,從而實現了兩束光的抽運放大.

受激布里淵散射,抽運放大,偏振控制

PACC:4265C,7820B,7835

1.引言

在很多光學實驗中,經常需要使兩束光同軸傳播.可以采用幾種方法將不同方向的激光束耦合為同軸光束,其中,偏振耦合法因其能量損失最小而被廣泛使用.然而,偏振耦合法仍有局限性.由于同軸傳播的兩束光的偏振態是正交的,因此,不能實現相干放大.但在實際應用中,有時相干放大是非常必要的.例如:受激布里淵散射(SBS)信號的放大[1—8],以及布里淵散射激光雷達回波信號的放大[9].

我們在布里淵散射激光雷達[10—13]的工作中,利用SBS改善了激光雷達的性能[14,15].為了進一步提高激光雷達的探測深度,對回波信號進行放大是最有效的方法.然而,實驗室中通常使用的雙池放大技術在激光雷達中是不適用的.因為微弱的SBS信號在穿出種子池及進入放大池時,都會在表面產生額外的能量損失,使其在進入放大池的前表面時已損耗怠盡.另外,在某些實際應用中,例如在海洋監測布里淵散射激光雷達中,海洋就是一個大水池,不可能另外建立一個單獨的放大池.而要實現放大,除產生種子光的入射激光束外,還需要另一束用于放大種子光的抽運光束.然而,如前所述,對于實際可用的激光雷達系統,這兩束光必須是同軸傳播的.為了最大限度減小能量損耗,又應是正交偏振的.如何使這兩束正交偏振的光產生放大作用,成為我們面對的關鍵問題.我們設計了一個同軸雙脈沖序列激光束偏振態的控制裝置,可以使同軸傳播的兩個正交偏振脈沖光束在放大時具有相同的偏振態.從而實現了SBS信號的放大.

2.偏振控制器的設計

由于受激布里淵散射具有位相共軛特性[16,17],在SBS信號背向傳播的過程中,如果遇到與之相干的光束,即可被放大.這實際意味著抽運放大光束與SBS種子光之間可以有一個時間延遲.這正是我們設計同軸傳播正交偏振雙脈沖序列振態控制裝置的出發點.

2.1.基本原理

偏振控制器包括雙折射電光晶體和驅動電源兩部分.

讓兩束正交偏振光耦合后的同軸光束射到電光偏振控制器上.兩束光之間有一時間延遲,它們在不同時刻先后到達腔外電光偏振控制器.不加高壓時,其光軸為豎直方向;加高壓時,其光軸與水平(或豎直)方向成45°,且對入射光為半波片.通過控制在雙折射電光晶體上加或不加高壓改變雙折射晶體的雙折射特性,達到改變兩束光偏振態的目的.

2.2.實現方法

在我們的方案中,采用了升壓工作方式.這是由于在升壓工作方式中,絕大部分時間晶體不加高壓,可以延長晶體的使用壽命.退壓工作方式具有更高的開關速度,在需要更短開關時間時,應采用退壓工作方式.設激光的脈沖寬度為10 ns,重復頻率為10 Hz.同軸光束由兩個正交偏振的脈沖光束組成.電光偏振控制器的工作過程如下:

1)兩束正交偏振的線偏振光經偏振耦合器后耦合為一束光.兩束光之間有一定的時間延遲(10 ns).因此,兩束光在不同時刻先后到達電光偏振控制器.設水平偏振的光首先到達.

2)電光偏振控制器平時處在不加高壓狀態(初始狀態).此時,水平偏振的光將以很小的損耗通過電光偏振控制器.

3)經過10 ns后,第一束水平偏振的光脈沖消失.又經過一段時間后,第二束豎直偏振的光脈沖到達電光偏振控制器.此時,驅動電源突然對雙折射電光晶體加高壓,電光晶體的雙折射特性突然發生變化.此時,晶體變為對該光束的半波片(光軸方向與水平振動方向成45°),豎直偏振的光將以很小的損耗通過晶體并變為水平偏振的光.

4)再經過10 ns后,第二束光消失.此時,驅動電源突然關斷加到雙折射電光晶體上的高壓,晶體的雙折射特性回到初始狀態.

5)經過約999 ms后,第二個光脈沖序列到達電光控制器,并重復1)—4)的工作過程.

6)上述過程不斷重復,可在每一個重復階段內使兩束正交偏振的線偏振光在不同時刻(可根據實際情況設置)具有相同的偏振態.

7)用一臺高精度脈沖發生與延遲器輸出的脈沖電信號控制電光偏振控制器驅動電源的工作,保證電光偏振控制器的工作準確無誤.

3.實際電光偏振控制器

圖1為電光偏振控制器及高壓的開、關與激光脈沖的時序.(a)圖為腔外電光偏振控制器,(b)圖為示波器顯示的電脈沖與光脈沖時序.兩個窄峰為激光雙脈沖,較寬的峰為電光偏振控制器驅動電脈沖,充滿屏幕的平緩曲線為激光器輸出的觸發脈沖.電光偏振控制器中的晶體為經特殊切割的KD＊P晶體.電光偏振控制器的工作參數如下:晶體通光孔徑為15 mm;工作方式為升壓工作方式;半波電壓為7000 V;上升沿寬度為27 ns.

圖1 電光偏振控制器及時序 (a)電光偏振控制器,(b)電脈沖與光脈沖時序(橫坐標20 ns/div)

圖2為脈沖序列通過電光偏振控制器后的輸出波形.可以看到,控制器對兩個正交偏振光脈沖實現了預期的控制.

4.實驗及結果

圖2 電光偏振控制器對兩個脈沖光偏振態的控制 橫坐標20 ns/div.(a)不加高壓,第一個脈沖通過,第二個脈沖不通過;(b)加高壓,第一個脈沖不通過,第二個脈沖通過

[9]給出了一種用兩臺或多臺脈沖激光器獲得多束相干光的方法.在本文中仍采用這種方法.圖3為實驗裝置示意圖.激光器1為一臺Continuum Powerlite Precision II 8000種子注入脈沖激光器,其脈寬為8 ns,重復頻率為10 Hz,532 nm的脈沖能量為650 mJ,1064 nm的輸出脈沖能量為600 mJ.激光器2為一臺ContinuumPowerlite Precision Plus種子注入脈沖激光器,其脈寬為8 ns,重復頻率為10 Hz,532 nm的脈沖能量為1.5 J.我們將激光器1輸出的1064 nm單縱模光注入到激光器2的放大級從而獲得了兩束完全相干的532 nm脈沖光束.實驗中,我們用F-P標準具分光,用ICCD相機(Princeton Instruments PI-MAX 2)記錄散射光譜.脈沖發生與延遲器為Stanford Research System公司的DG 535型號.實驗裝置其他部分的作用和功能在文獻[4—9]中已有詳細描述,這里不再重復.

圖3 實驗裝置的框圖結構

由于電光偏振控制器驅動電脈沖上升沿的寬度為27 ns,我們在實驗中調節激光器1輸出的532 nm光的光程,使之到達偏振耦合器時與激光器2輸出的532 nm光有27 ns的時間延遲.這對應于兩個光脈沖在水中有約5 m的光程差.即第一個光脈沖激發的SBS信號在向回傳播約2.5 m時與第二個光脈沖相遇.由于電光偏振控制器的作用,此時第二個光脈沖的偏振態與第一個光脈沖激發的SBS信號的偏振態相同.因此,SBS信號可以得到最大程度的放大.

我們在50 m水槽中進行了實驗,實驗的環境溫度為25℃.所用激光器的線寬為90 MHz.圖4為所用激光器輸出脈沖的時間波形.這是一個典型的單縱模窄帶激光才能產生的非常平滑的高斯脈沖.它可以激發水中的單模受激布里淵散射.所用水樣的衰減系數為1.2/m,對應的一個衰減長度為0.84 m.這樣的水質對激光和SBS信號都有很強烈的衰減作用.我們測量了水中7.5 m處的散射光譜,如圖5所示.所用F-P標準具的自由光譜范圍為23.95 GHz,可求出散射光的頻移為7.54 GHz,這正是水中的布里淵散射頻移值.測量中,ICCD相機的門寬為5 ns.由圖5可見,未采用抽運放大技術時,散射信號非常微弱,用I CCD相機無法記錄到散射光譜.這是由于對衰減系數為1.2/m的水,7.5 m處第一束激光激發的SBS信號本身已經很弱,在向回背向傳播的過程中,進一步被衰減,使得這個信號已經無法被探測到.而使用了抽運放大技術后,由于第二束放大脈沖光的存在,7.5 m處第一束激光激發的微弱SBS信號在向回傳播約2.5 m后與第二束放大脈沖光相遇而被放大,使SBS信號得到

圖4 激光輸出脈沖的時間波形 橫坐標20 ns/div

圖5 抽運放大探測的水槽實驗結果 衰減系數為1.2/m,深度7.5 m處.(a)未采用抽放大技術的布里淵散射光譜,(b)采用了抽運放大技術的布里淵散射光譜(信噪比為2.6)

可以看到,采用抽運探測方法后,SBS信號發生了從不可探測到可清楚探測的質的變化.這種變化正是借助于電光偏振控制器實現的.

5.結論

通過精確控制兩束同軸傳播的正交偏振脈沖激光束的偏振態,可以實現第二束激光對第一束激光所激發的受激布里淵散射信號的放大.從而使在單池中采用單光束無法探測到的弱信號能夠被探測到,這對很多實際應用是非常有意義的.

本文的工作得到了王運謙同志的熱情幫助,特此致謝.

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PACC:4265C,7820B,7835

Amplificat ion of st imulated Bril louin scattering by collinear laser pulse series with two orthogonalpolarizations＊

Chen Xu-Dong1)Shi Jin-Wei1)Liu Juan1)2)Liu Bao1)Xu Yan-Xia1)Shi Jiu-Lin2)Liu Da-He1)2)?

1)(Key Laboratory of Applied Optics of Beijing,Department of Physics,Beijing Nor mal University,Beijing 100875,China)
2)(Key Laboratory of Nondestructive Test of M inistry of Education,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)

5 January 2009;revised manuscript

6 March 2009)

Using the characteristic that a time delay between the signal of stimulated Brillouin scattering(SBS)and the pump beam during amplification of SBS signal is allowed,a controller is devised to control the polarizations of two pulses propagating collinearly with orthogonal polarizations.It makes the two beams have the same polarization when the SBS signal meets the pump beam.Therefore,amplification of the SBS signal is realized.

stimulated Brillouin scattering,pump amplification,polarization control

＊國家自然科學基金(批準號:10574016,60778049)資助的課題.

?通訊聯系人.E-mail:dhliu@bnu.edu.cn

＊Project supported by the NationalNatural Science Foundation of China(GrantNos.10574016,60778049).

?Crresponding author.E-mail:dhliu@bnu.edu.cn