陳旭東 石錦衛(wèi) 劉 娟 劉 寶 許艷霞 史久林 劉大禾?

1)(北京師范大學(xué)物理系,應(yīng)用光學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

2)(南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063)

同軸正交偏振雙脈沖序列受激布里淵散射抽運(yùn)放大的實(shí)現(xiàn)方法＊

陳旭東1)石錦衛(wèi)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(xué)物理系,應(yīng)用光學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

2)(南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)抽運(yùn)光與種子光可以有一時(shí)間延遲的特性,設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)正交偏振脈沖光束在放大時(shí)具有相同的偏振態(tài),從而實(shí)現(xiàn)了兩束光的抽運(yùn)放大.

受激布里淵散射,抽運(yùn)放大,偏振控制

PACC:4265C,7820B,7835

1.引言

在很多光學(xué)實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)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(tài)是正交的,因此,不能實(shí)現(xiàn)相干放大.但在實(shí)際應(yīng)用中,有時(shí)相干放大是非常必要的.例如:受激布里淵散射(SBS)信號(hào)的放大[1—8],以及布里淵散射激光雷達(dá)回波信號(hào)的放大[9].

我們?cè)诓祭餃Y散射激光雷達(dá)[10—13]的工作中,利用SBS改善了激光雷達(dá)的性能[14,15].為了進(jìn)一步提高激光雷達(dá)的探測深度,對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大是最有效的方法.然而,實(shí)驗(yàn)室中通常使用的雙池放大技術(shù)在激光雷達(dá)中是不適用的.因?yàn)槲⑷醯腟BS信號(hào)在穿出種子池及進(jìn)入放大池時(shí),都會(huì)在表面產(chǎn)生額外的能量損失,使其在進(jìn)入放大池的前表面時(shí)已損耗怠盡.另外,在某些實(shí)際應(yīng)用中,例如在海洋監(jiān)測布里淵散射激光雷達(dá)中,海洋就是一個(gè)大水池,不可能另外建立一個(gè)單獨(dú)的放大池.而要實(shí)現(xiàn)放大,除產(chǎn)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(yùn)光束.然而,如前所述,對(duì)于實(shí)際可用的激光雷達(dá)系統(tǒng),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(yīng)是正交偏振的.如何使這兩束正交偏振的光產(chǎn)生放大作用,成為我們面對(duì)的關(guān)鍵問題.我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)同軸雙脈沖序列激光束偏振態(tài)的控制裝置,可以使同軸傳播的兩個(gè)正交偏振脈沖光束在放大時(shí)具有相同的偏振態(tài).從而實(shí)現(xiàn)了SBS信號(hào)的放大.

2.偏振控制器的設(shè)計(jì)

由于受激布里淵散射具有位相共軛特性[16,17],在SBS信號(hào)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(shí)際意味著抽運(yùn)放大光束與SBS種子光之間可以有一個(gè)時(shí)間延遲.這正是我們?cè)O(shè)計(jì)同軸傳播正交偏振雙脈沖序列振態(tài)控制裝置的出發(fā)點(diǎn).

2.1.基本原理

偏振控制器包括雙折射電光晶體和驅(qū)動(dòng)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(shí)間延遲,它們?cè)诓煌瑫r(shí)刻先后到達(dá)腔外電光偏振控制器.不加高壓時(shí),其光軸為豎直方向;加高壓時(shí),其光軸與水平(或豎直)方向成45°,且對(duì)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(dá)到改變兩束光偏振態(tài)的目的.

2.2.實(shí)現(xiàn)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(shí)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(guān)速度,在需要更短開關(guān)時(shí)間時(shí),應(yīng)采用退壓工作方式.設(shè)激光的脈沖寬度為10 ns,重復(fù)頻率為10 Hz.同軸光束由兩個(gè)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(jīng)偏振耦合器后耦合為一束光.兩束光之間有一定的時(shí)間延遲(10 ns).因此,兩束光在不同時(shí)刻先后到達(dá)電光偏振控制器.設(shè)水平偏振的光首先到達(dá).

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

3)經(jīng)過10 ns后,第一束水平偏振的光脈沖消失.又經(jīng)過一段時(shí)間后,第二束豎直偏振的光脈沖到達(dá)電光偏振控制器.此時(shí),驅(qū)動(dòng)電源突然對(duì)雙折射電光晶體加高壓,電光晶體的雙折射特性突然發(fā)生變化.此時(shí),晶體變?yōu)閷?duì)該光束的半波片(光軸方向與水平振動(dòng)方向成45°),豎直偏振的光將以很小的損耗通過晶體并變?yōu)樗狡竦墓?

4)再經(jīng)過10 ns后,第二束光消失.此時(shí),驅(qū)動(dòng)電源突然關(guān)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(tài).

5)經(jīng)過約999 ms后,第二個(gè)光脈沖序列到達(dá)電光控制器,并重復(fù)1)—4)的工作過程.

6)上述過程不斷重復(fù),可在每一個(gè)重復(fù)階段內(nèi)使兩束正交偏振的線偏振光在不同時(shí)刻(可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置)具有相同的偏振態(tài).

7)用一臺(tái)高精度脈沖發(fā)生與延遲器輸出的脈沖電信號(hào)控制電光偏振控制器驅(qū)動(dòng)電源的工作,保證電光偏振控制器的工作準(zhǔn)確無誤.

3.實(shí)際電光偏振控制器

圖1為電光偏振控制器及高壓的開、關(guān)與激光脈沖的時(shí)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(shí)序.兩個(gè)窄峰為激光雙脈沖,較寬的峰為電光偏振控制器驅(qū)動(dòng)電脈沖,充滿屏幕的平緩曲線為激光器輸出的觸發(fā)脈沖.電光偏振控制器中的晶體為經(jīng)特殊切割的KD＊P晶體.電光偏振控制器的工作參數(shù)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(shí)序 (a)電光偏振控制器,(b)電脈沖與光脈沖時(shí)序(橫坐標(biāo)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(duì)兩個(gè)正交偏振光脈沖實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制.

4.實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

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

[9]給出了一種用兩臺(tái)或多臺(tái)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(shí)驗(yàn)裝置示意圖.激光器1為一臺(tái)Continuum Powerlite Precision II 8000種子注入脈沖激光器,其脈寬為8 ns,重復(fù)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(tái)ContinuumPowerlite Precision Plus種子注入脈沖激光器,其脈寬為8 ns,重復(fù)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(jí)從而獲得了兩束完全相干的532 nm脈沖光束.實(shí)驗(yàn)中,我們用F-P標(biāo)準(zhǔn)具分光,用ICCD相機(jī)(Princeton Instruments PI-MAX 2)記錄散射光譜.脈沖發(fā)生與延遲器為Stanford Research System公司的DG 535型號(hào).實(shí)驗(yàn)裝置其他部分的作用和功能在文獻(xiàn)[4—9]中已有詳細(xì)描述,這里不再重復(fù).

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置的框圖結(jié)構(gòu)

由于電光偏振控制器驅(qū)動(dòng)電脈沖上升沿的寬度為27 ns,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)激光器1輸出的532 nm光的光程,使之到達(dá)偏振耦合器時(shí)與激光器2輸出的532 nm光有27 ns的時(shí)間延遲.這對(duì)應(yīng)于兩個(gè)光脈沖在水中有約5 m的光程差.即第一個(gè)光脈沖激發(fā)的SBS信號(hào)在向回傳播約2.5 m時(shí)與第二個(gè)光脈沖相遇.由于電光偏振控制器的作用,此時(shí)第二個(gè)光脈沖的偏振態(tài)與第一個(gè)光脈沖激發(fā)的SBS信號(hào)的偏振態(tài)相同.因此,SBS信號(hào)可以得到最大程度的放大.

我們?cè)?0 m水槽中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的環(huán)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(shí)間波形.這是一個(gè)典型的單縱模窄帶激光才能產(chǎn)生的非常平滑的高斯脈沖.它可以激發(fā)水中的單模受激布里淵散射.所用水樣的衰減系數(shù)為1.2/m,對(duì)應(yīng)的一個(gè)衰減長度為0.84 m.這樣的水質(zhì)對(duì)激光和SBS信號(hào)都有很強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)的門寬為5 ns.由圖5可見,未采用抽運(yùn)放大技術(shù)時(shí),散射信號(hào)非常微弱,用I CCD相機(jī)無法記錄到散射光譜.這是由于對(duì)衰減系數(shù)為1.2/m的水,7.5 m處第一束激光激發(fā)的SBS信號(hào)本身已經(jīng)很弱,在向回背向傳播的過程中,進(jìn)一步被衰減,使得這個(gè)信號(hào)已經(jīng)無法被探測到.而使用了抽運(yùn)放大技術(shù)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(fā)的微弱SBS信號(hào)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(hào)得到

圖4 激光輸出脈沖的時(shí)間波形 橫坐標(biāo)20 ns/div

圖5 抽運(yùn)放大探測的水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果 衰減系數(shù)為1.2/m,深度7.5 m處.(a)未采用抽放大技術(shù)的布里淵散射光譜,(b)采用了抽運(yùn)放大技術(shù)的布里淵散射光譜(信噪比為2.6)

可以看到,采用抽運(yùn)探測方法后,SBS信號(hào)發(fā)生了從不可探測到可清楚探測的質(zhì)的變化.這種變化正是借助于電光偏振控制器實(shí)現(xiàn)的.

5.結(jié)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(tài),可以實(shí)現(xiàn)第二束激光對(duì)第一束激光所激發(fā)的受激布里淵散射信號(hào)的放大.從而使在單池中采用單光束無法探測到的弱信號(hào)能夠被探測到,這對(duì)很多實(shí)際應(yīng)用是非常有意義的.

本文的工作得到了王運(yùn)謙同志的熱情幫助,特此致謝.

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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(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):10574016,60778049)資助的課題.

?通訊聯(lián)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