相位共軛鏡在激光器中的應用

程玉梅

摘 要：受激布里淵散射（SBS）相位共軛技術在激光器中的應用廣泛，在改善激光器的光束質量、壓縮激光器脈寬和控制波形等方面都有顯著的作用。本文綜述并分析了（SBS）相位共軛鏡（PCM）的研究現狀及應用，為該領域的后續研究工作提供了有益的參考。

關鍵詞：SBS PCM 激光器

中圖分類號：O437 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0088-02

Abstract： Stimulated Brillouin scattering （SBS） phase conjugation technology is widely used in lasers. It plays an important role in improving the laser beam quality， compressing the pulse width and controlling the waveform of the laser. In this paper， the research status and application of （SBS） phase conjugation mirror （PCM） are reviewed and analyzed， which provides a useful reference for further research in this field.

Key Words： SBS； PCM； Laser

從20世紀70年代起，開始對非線性光學相位共軛技術進行理論和實驗方面的研究。研究表明，在許多領域，非線性光學相位共軛技術有著很大的應用前景，比如：傳輸圖像、激光技術以及光學信號處理、超低噪聲探測等領域。SBS 相位共軛鏡（Phase Conjugating Mirror-PCM）的特點是結構簡單、在強泵浦下具有高飽和能量轉換效率，并且具有高的相位共軛保真度和高的反射率。所以，基于這些特點，SBS相位共軛技術在發展高功率激光系統、激光脈沖壓縮、激光束并束等許多方面都有著重要的應用。

1 SBS相位共軛鏡的應用及研究現狀

1.1 SBS壓縮激光脈寬及脈沖整形

受激布里淵散射脈沖壓縮技術，具有較高的能量提取效率和脈沖壓縮比，利用納秒級長脈沖易于產生、放大，能量提取充分等優點，可以在激光放大鏈路中獲得高能量的脈沖輸出，然后在輸出端利用SBS脈沖壓縮特性對長脈沖壓縮至皮秒量級，從而獲取高能量的短脈沖高功率激光輸出。目前利用SBS脈沖壓縮技術基本上可以將脈沖壓縮至皮秒量級，但是要獲得200ps以下的高能量超短脈沖仍受諸多限制，而且存在裝置過于復雜、穩定性不高、脈沖壓縮率及能量轉化效率低等缺點。

SBS池一般為兩種通用結構，分別為單池結構和雙池結構。

（1）單池結構：利用焦距較長的平凸鏡將激光脈沖聚焦到裝有SBS介質的密閉容器中。

（2）雙池結構：分為SBS產生池和放大池兩部分，在產生池前將激光用一短聚焦鏡進行聚焦，使激光脈沖前沿達到SBS閾值，產生Stokes光導入放大池中被放大，最后使脈寬變窄。此結構與單池結構相比較優點在于能在高能量下工作，能夠通過雙池的組合控制入射到產生中的能量，使其不會因為能量過大造成自聚焦和光學擊穿等現象限制其應用，因此在實驗中多數采用雙池結構系統。

D.T.Hon等人[1]將Nd：YAG調Q激光器的20ns脈寬壓縮到2ns，使用的SBS裝置是一個充滿甲烷的錐形玻璃管。這是首次利用半經典理論解釋SBS脈沖壓縮特性，并與實驗結果符合的很好。荷蘭學者S.Schiemann等人[2]將脈沖能量為300MJ的Nd：YAG倍頻激光器的脈寬從5.6ns壓縮到270ps，采用的是緊湊雙池的結構，轉換效率達75%。V.Kmetik等人將脈沖能量為600MJ，重復頻率為10Hz的閃光燈泵浦調QNd：YAG激光器的10ns脈寬壓縮帶870ps，采用的是單池結構，最終輸出能量為570MJ。

Chenyong Feng等人[3]采用獨立雙池脈沖壓縮方案獲得了焦耳級的斯托克斯脈沖輸出。Nd：YAG激光器通過出射3.5J，脈寬12ns的532nm激光脈沖。經凹凸透鏡共同構建的擴束系統后，增加到直徑32mm。激光脈沖被分成兩束，其中120MJ入射進入單池結構產生90MJ，325ps的種子脈沖。通過非線性介質池系統后，布里淵放大輸出300ps脈沖，能量達到了1.2J。

哈爾濱工業大學王超等人[4]使用CCL4作為SBS介質， Nd：YAG激光器作為泵浦脈沖，波長1064nm時，入射光約 8ns脈沖寬度壓縮至1.5ns左右，波長532nm時，脈寬壓縮至 60ps。

1.2 SBS改善高能激光光束質量

大多數高功率激光器都采用MOPA結構，MOPA結構的振蕩級可以采用高光束質量的種子源，但在放大部分由于使用的泵浦光輸出功率高，系統整體的光束質量會下降。SBS 相位共軛鏡可以對包括光學元器件不均勻性、變形、熱效應等造成的波前畸變進行校正，改善激光的相干性，從根本上解決高能激光器輸出功率和光束質量之間的矛盾。

日本的H.Kiriyama等人[5-7]報道的應用基于FC-75液體介質的SBS—PCM的MOPA激光系統成功實現重復頻率 1kHz、平均功率360W的激光輸出，其中主振蕩器為一個LD雙端泵浦的Nd：YAG單頻環形腔激光器。日本I.Daito等人[8]使用能量為1.6J，脈寬為8ns的激光器作為泵浦，通過雙池結構進行脈沖壓縮。SBS介質選用FC-40重氟碳介質，最終實現～200ps脈沖輸出，光束質量因子M2=2.1～2.3，能量轉化效率達到80%左右。

哈爾濱工業大學王雨雷等人[9]提出了一種獨立雙池結構，使用CCl4作為SBS介質，輸出能量13J時86%能量處的發散角是0.35mrad。

浙江大學小組對固體SBS—PCM進行了系統的研究，分別研究了普通多模光纖SBS—PCM[10]、錐度光纖SBS—PCM[11]以及光纖—熔石英棒復合結構SBS—PCM[12]，并在整個過程中逐步提升器件在高重復頻率下的反射率性能。

2 SBS相位共軛技術存在的問題及發展趨勢

在早期的帶SBS—PCM的MOPA激光系統中，大都采用液體和氣體材料作SBS介質，但是在實際使用時，氣體介質需要施加高壓獲得高增益，液體介質需要進行超高純度提純來防止光學擊穿，且并沒有達到“全固態”。所以，尋找新型SBS介質，以及新型的相位共軛鏡，建立起高效、結構緊湊、安全，操作起來又十分方便的相位共軛系統，將是研究的重要方向。

參考文獻

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