（光学专业论文）受激布里渊散射理论与实验研究.pdf

5 8 6 4 5 9 摘 要 摘要 为改善大功率全固 态激 光器系 统中的 严重光束畸变， 采用受激布里渊 散射 ( s b s ) 相位共扼的方法，来实时产生相位共扼波， 修正 波前畸变， 以 提高 激光器输出光 束质量。该方法具有自 泵浦、结构简单等 优点。 本文 理论和实验研究了受激布里渊散射的单池系统结构。 理论研究主要从受激布里渊散射过程的泵浦场、声子场和斯托克斯场 相互作用的祸合波方程组出发，建立了包含泵浦光抽空效应和吸收效应的 一维瞬态理论模型。 在时间上使用隐式有限差分 法，空间上使用后向 差分 法， 对祸合波方程组离散化，进行 数值模拟求解。进而对受激布里渊 散射 的能 量反射率随泵浦光能量、泵浦脉冲宽度和不同发散角的变化规律 进行 了 数值模拟， 获得与时间分 布有关的受 激布里渊散射的 基本规律。 实验主要测量了受激布里渊散射单池系统中的能量反射率、脉宽压缩 率及相 位共辘保真度的特性， 得到 能量反 射率随 泵浦能 量、 镜池间 距等的 变化规律: ( 1 )当 泵浦光束聚焦在 s b s 池的 前端时， 可以 更好的产生后向 散射， 此时反射率高，s b s 池的能量提取 效率高。 ( 2 ) 在每种透镜焦距f -定情况下， 当 镜池间距 增加到一定程度后, s b s 的能量反射率 有趋于 饱和的 趋势。 将实验所得规律与 理论 计算所 得规律 进行了 对比，发现实验值与 数值 模拟值的变化趋势是一致的， 理论与实验基本相符。 另 外实验测得脉宽 压缩率接 近2 的脉冲波形，s b s 相位共辘保真度的 定性研究在实验中也 得到很 好的结 果。 关键词 光学相位共辘， 受 激布里 渊散射， 能 量反射率， 宽压 缩率，保真度 ab s t r a c t abs t r a c t t o i m p r o v e th e s e r i o u s b e a m a b e r r a t io n o f t h e h i g h - p o w e r s o l i d - s ta t e l a s e r s y s t e m , s t i m u l a t e d b r i l l o u i n s c a tt e r i n g ( s b s ) i s a p p l i e d t o a c h i e v e o p t i c a l r e a l - t i m e p h a s e c o n j u g a t i o n b e a m , w h i c h h a s th e a d v a n ta g e s o f s e l f -p u m p in g p r o d u c i n g p h a s e c o n j u g a t i o n w a v e , c o r r e c t in g w a v e f r o n t a b e r r a t io n a n d i m p r o v in g t h e l a s e r b e a m q u a l i t y . i n th e d i s s e r ta t i o n , s i n g l e - c e l l p h a s e c o n j u g a t in g - m i r r o r i s i n v e s ti g a t e d th e o r e ti c a l l y a n d e x p e r i m e n ta ll y . b a s e d o n t h e c o 叩l e d w a v e e q u a ti o n s o f i n t e r a c t io n a m o n g t h e p u m p f i e l d , t h e s to k e s fi e l d a n d t h e a c o u s ti c fi e l d i n ri t e s b s p r o c e s s , th e o n e - d i m e n s i o n a l t r a n s i e n t t h e o r e t i c a l m o d e l o f s t i m u l a t e d b r il lo u i n s c a tt e r i n g i n c l u d i n g t h e p u m p d e p l e t i o n a n d a b s o r p t i o n is c o n s t ru c t e d . u s i n g a s c h e m e w i t h a n i m p l i c i t fi n it e d i ff e r e n c e i n t i m e a n d a b a c k w a r d d i ff e r e n c e i n s p a c e , t h e d i ff e r e n c i n g f o r m o f th e c o u p le d w a v e e q u a ti o n s i s e s ta b l i s h e d f u r t h e r m o r e , t h e b a s i c r u l e r e l e v a n t t o t h e t e m p o r a l d i s t ri b u t i o n i s a c h i e v e d t h r o u g h th e n u m e r i c a l s i m u l a ti o n t o t h e r e g u l a r i t i e s o f p u m p r e fl e c ti v i ty c h a n g in g w i t h p u m p p o w e r, p u m p p u l s e - w i d t h a n d th e s c a tt e r i n g a n g l e s . t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f th e s b s s i n g l e - c e l l s y s t e m s u c h a s e n e r g y r e fl e c t i v i ty , p u l s e w i d t h a n d t h e fi d e l i ty o f s t i m u l a t e d b r i l l o u i n s c a tt e r in g a r e s tu d i e d a n d th e c h a n g e s o f t h e e n e r g y r e fl e c t i v i ty v e r s u s t h e p u m p p o w e r d e n s i ty a n d t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e l e n s a n d s b s c e l l a r e m e a s u r e d e x p e r im e n ta l l y . s o m e u s e f u l r e s u l ts a r e o b ta i n e d a s f o l l o w e d . ( 1 ) wh e n p u m p b e a m s f o c u s o n th e fr o n t o f t h e s b s c e l l , t h e b e t t e r b a c k s c a tt e r i n g i s g e n e r a t e d , t h e h i g h e r r e fl e c t i v i ty a n d t h e h i g h e r e ffic i e n c y o r e x tr a c t e d e n e r g y a r e a c h i e v e d . ( 2 ) o n t h e c o n d i ti o n t h a t th e f o c a l l e n g t h o f l e n s i s c o n s t a n t , a n d t h e d i s ta n c e b e twe e n t h e l e n s a n d t h e fr o n t o f t h e s b s c e l l is i n c r e a s e d t o s o m e e x t e n t , t h e r e fl e c t iv ity o f s b s t e n d s t o s a t u r a t e . t h e ,c h a n g i n g t r e n d s o f t h e e x p e r i m e n ta l r e s u l ts a r e a c c o r d e d w i t h t h e t r e n d s o f t h e . 1 ;i c a l s i t t n t la t io n i n a d d i t i o n , t h e p u l s e s h a p e is m e a s u r e d w h e n t h e p u l s e - w i d t h c o m p r e s s io n r a t i o i s c lo s e t o 2 . a ls o , t h e q u a l i ta t i v e a n a ly s i s t o t h e fi d e l i ty o f t h e s b s m a t c h e s t h e e x p e r i m e n ta l r e s u l t . k e y wo r d s : o p t i c a l p h a s e c o n j u g a t io n , s t i m u l a t e d b r i l lo u i n s c a tt e r i n g ( s b s ) , e n e r g y r e fl e c t i v it y p u l s e - w id th c o m p r e s s i o n , fi d e l i ty o f s b s 1 1 第一章绪 论 第一章绪论 对于大功率固体激光器来说，由 于激光系统中热透镜效应和应力双折 射效应而导致光束质量 很差， 畸变严重， 需用光学相位共扼的 办法， 使光 束二次或多次通过同一激活介质， 利用光束的相位共扼特性， 矫正 和改a . 光路中的 相位畸 变。从二十世纪七十年代开始， 人们己 对非线性光学相位 共扼技术 进行了 大量的理论和实验研究。 研究 表明， 非线性光学 相位共规 技术在自 适应光学、 高能 量高亮 度激光系 统以 及光学信息 处理、 图 像 传输、 运动检测、 滤波 和超低噪声通讯等许多领 域具有十 分广泛的 应用潜力。! 前 常 用来 实 现 相 位 共扼 的 方 法 主要 是受 邀 布 里 渊 散 射 s b s ) . 其 他 相 位 共扼过 程: 如非线性材料或光折射品体中的四 波混频， 以 其现今实验水平， 限制了 高 平均功率，而且其光路系统 太复杂，需要独立的 泵浦9 i 所以 一 般采用基于s b s的自泵浦相位共扼镜o s b s 能够实时有效的补偿工作物质 的光 束相 位畸变， _ 目 _ 具有结构简单、自 泵浦、 脉冲压缩、频移量小、 高的 相 位共骊 保真度和高的 能量反射率等优点。 美国里弗莫尔国家实验宝 c l l n l ) 己将s b s 相位 共扼镜应用到 全l id 泵浦的m o p a系统，在几百到近千h z 的高重复 频率下获得接近衍射极限 的高质量激光输出，并将该技术应用到激光激发x射线作为集成电路制版 的短波k 光源。f j 前在 s b s相位共扼 m o p a系 统中 可实现近衍射极1 l4 儿 百瓦的 平均功率 输出 1 4 1应用 s b s散射 池组成 激光谐振腔的最早实验足 1 9 6 7 年由p o h l 完 成 的 151如 今s b s 相 位 共 扼主 振 荡 4 :j 率 放 大 ( m o p a ) 、 s b s相 位共扼调 q谐振腔等结构己 被应用到各种类型的微光系统，it 如 n d : y a g , n d : y a l o及钦玻璃激光器等。 所以s b s 相位共骊技 术在发展高 功率激光系统、 激光脉冲压缩、 激光束并束等 许多方面也有着重要的 应) i i . 1 .1 国内外s b s 相位共辘技术的研究现状 受激布里渊散射最早是在1 9 6 4 年发现的， 而受激布里渊散射相位共姚 技术是在 7 0 年代发展起来的。到h 前为 止，关于s b s 相位共辘技 术己 有 北京交通大学硕士论文 大量的文章发表， 无论从 s b s的理论和基本特性上还是从 s b s的应用 t : 人 们都 进行了 相当 广泛的研究。 s b s 的基本 特性 包括s b s 相位共扼保真度 及 其稳定性、 反射率、 s b s 脉冲压缩、 闽 值效应、 饱和效应、 负载能力、 s b s 介质、瞬态 s b s等，s b s的应用包括 s b s相位共扼应用在激光器振一 放系 统 ( mo p a ) , 激光并束、波形控制和利用 s b s补偿由撇光介质引起的热畸 变和褪偏，改善激光器输出的 光束质量等。 全世界有很多国 家及科研机构都进行了 这方面的研究。这些国 家包括 t 国、前苏 联、 英国、 德国、日 本、 加 拿大、 法国、 中国、 印度、a 大利、 ,h 国、 瑞士、 澳大 利亚、瑞典、 荷兰、立陶宛 等。 进行s b s k 1 位共扼技 术 研究的主要机构有美国的惠更斯实验室、利弗莫尔实验室、 洛斯阿拉莫斯 实验室、贝 尔实验室、 罗彻斯特大学光电 工程系、 海军实验室、 t a w公司 等。前苏 联利 心 赴 院、 普通物理研究所、列别捷夫物理研究所、 v a v i l o v国 家光学研究所、 n i z h n y n o v g o r o d科学院 应用物i l 研究所等。 英国的k e n t 大 学 物 理 实 验 室、 s o u th a m p t o n 大 学 的 光电 子 研究 中 心 、 c o l l 大 学 的 电 子 与电子工程系、g r e a t ma l v e rn 国防研究机构等， 德国的p o s t d a m大学的物 t 1 研究 所和柏林技术大学 光学研究 所、日 本的 o s a k a大学激光研究n4 .1 1 t o k y o大学的高级科学技术研究中心等。中国的上海光机所、 哈尔滨工业 大学光电 子技术研究所、西南 核物理 与化学 研究所、浙江大学、 北京物理 研究所、 华北光电技术研究所 ( 电 子所十一所) 、 安徽光机所等. 1 . 2 相位共辘技术基本理论研究的进展 自 从 1 9 7 2 年z e l d o v i c h 等人首次发现s b s的 相位共扼 特性以来，为 了解释s b s的相位共辘过程及其各种特性人们进行了大量的理论研究。 描 述s b s 过程最终被归结为求 解一组包括时问和空间的非线性偏微分方程， 从数学的角度来考虑， 对该方程的精确求解是不可能的。 只有通过对 s b s 过程进行数值模拟来认识s b s 过程的一些基本规律。 在数值模拟中， 人们 根据要解决的问 题的需要，提出 一些假设对非线性偏微分方程进行简化， 例如对 s b s的三维方程进行数值模拟是很困难的， 所以人们更多更详细研 第一章绪 论 究的是二维方程的数值模拟l 6 -7 ，而且己 证明 二维方程的 模拟也是很困 难 的， 如果在实际问题中， 横向 场的 变化不大， 二维方 程就 可以简 化成一维 方 程1 8 1 。有时为求解方程方便还做了 象泵浦抽空和稳态等假设( 9 - 1 u 在理论 研究中， 一方面的文章是报道如何解释s b s 的相位共勿 酬 寺 性的。 址具有代表性的是z e l d o v i c h 4 1 1 h e l l w a -t h l 的文章。 他们均认为衬 i 位共扼 过程是对泵浦光共u t1 勺 模式优先于其他模式的放大，共扼模式以指数速度 增长，其放大速率是其他随机模式的2 倍。因 此若增益足够大， 高增益模 式将占主导 地位，其他模式的贡献 便可以 忽 略不计。这种理论 解释被以 后 的实验 所证实口 2 1 。他们理论阐述的不同点 在于后向 散射光仍然存在非共物 部分的解释。 z e l d o v i c h把非共扼项的出 现归因于 非均匀泵m光的强 攻牵 引;而 1 - l e l l w a r t h则将其归因于 泵浦光的空间 频率 和 s b s池结构。 p .s u n i 和j . t a l k 通过对波导中相位共扼理论的研究，指出 h e l l w a r t h 和 z e l d o v i c li 的矛 盾是由于对非相位匹配的散射项的不同 处理造成的， 不是由 于两作者 采用了 不同的场的展开 式， 这使 人们对s b s 相位共 扼特性 有了近一步的 理 解。中科院- i 海光机所的赫光生 13 1 等人认为， 在后向受激散射过 程中发生 的是两个同时存在的非线性过程: 纯粹的受 激散射过 程与部分简j i 四波 棍 频相位共扼过程，这两个过程的 密切 结合使 后向受激散射波在一定程度上 具 有 入 射 波 的 相 位 共 扼 特性 。 q ih u a n g g o n g 14 1等 人 则 提出s b s 光 学 相 位 j 红 姚包括三种物理机制;自 聚焦、 s b s 受激布里渊散射和近简并四 波混频。 另一厅 面的文章是描述如何启动求解过程的。早期的理论都假设 s t o k e s 后向 散射光起始于s b s 池末端的 噪声源， 并以 此作为边界条件求解 方程 i s 实际上， 自 发散射的噪声源依赖于 泵浦光功率密度在池中的 分布， 噪声源来自 于泵浦光的焦点 或焦点附 近的区 域， 如果焦点 与s b s 池末端相 距较远， 焦点附近的噪声 源与s b s 池末端的噪声源就会是非相关的。 因此， 这些理论模型不是完全精确的。 r . wb o y d等 人针对早期理论 模型的不足， 提出了s b s 起始于分布噪声的理论 模型11 6 1 。 由于 他们采用的是一维计 算方 替 ， 无 法 给 出 分 布 噪 声 对s b s 相 位 共 辘 特 性 的 影 响 关 系 。 n .-m .n g u y e n 等 人 发展了 上述的 理论模型( l通过采用传输线方 程，使人 们可以分析 其相 北京交通大学硕士论文 位共扼特性，进一步加深了人们对 s b s 过程的理解。 还有文章j 及 道如何改进算法 以提高计算的精度和速度。关于这方j il t ( r i 旱 期 工 作 ， 是r .h .l e m b e r g 对 聚 焦 光 束 和 光 波 导 中s b s 相 位 共 扼 的 数 4 ll h 拟19 1 i i i 。 他采用迭代法求解两点 边值问 题。 这种方法需求解多维差分方程， 计算量非常大。 通过将泵浦场和 s t o k e s场展开成波导 木征模， i 1 只保留 m e x w e l l 方程中 相位匹配项， 大大降 低了s b s 相位共扼问 题的 复杂性。 这 种零级解法已扩展到研究瞬态 s b s相位共扼过程p x l . d a m z e n 1 和 p a r a z z o l i 2 o l 使用特征线法， 不需迭代求 解，大大的加速了 计算的 速度。 随 后又有许多人分别采用 迭代法 f 2 l ) 、 中 心差分预测一 修正法 2 2 1非迭代法后向 差 分 ti ll 、 特征 线 法2 3 7等 对s b s 进 行 数 值 模 拟。 r .h .l e h m b e rg 采 用二 维 稳 态计 算模型， 包括了 泵浦抽空效应，对s b s 相位共辘保真度进行了计 算， 计 算表明， 泵浦抽空将显著改善保真度。 .3 s b s 相位共辆技术基本特性研究的 进展 1 . 3 . 1 s b s 相位共辘保真度及其稳定性 受激布里渊散射 ( s b s ) 相 位共骊技术在 应用时 最重要的 参数是反 射率和相 位共姚保真度。 人们对s b s 相位共扼的 反射率和保真度及其稳定 性 进行了大量的研究。 反射率是泵浦功率的函数， 在泵浦功率低于s b s 闽 值时为零， 然后随着泵浦功率的增加而趋向 于饱和值。 但关于s b s 相位共 垅保真度对泵浦功率的依 赖关系的 观点是不一致的。 有人预计当 输入 功率 增加到超过闽值数倍时，保真度将升高或下降9 ) 。 而且在实验中也 反映出 了 这种矛盾的结果。 实验测量表明， 相位共扼保真 度随超过s b s 闽值的泵 浦功率的 增加或者增加或者近似保持为常数 2 4 1 2 5 1 ， 而其他人的 理论 和实 验 研 究 表明 相 位 共 辘 保真 度随 超 过s b s 闭 值的 泵 浦 功率 的 增 加 而减 小 (2 6) 。 文 献 2 g 首 次 发 现， 在 饱 和反 射 区( 泵 浦 功 率 超 出 闲 值5 - 1 0 倍) ， 相 位 共 规保 真度在脉冲与脉冲之间存在着很大的 波动性。 他们认为 这种波动性受s b s 1 1 本特性的限制，起源于高功率泵浦时， 对相位共辘模式识别的下降， 在 随 后的 研究中， c . b . d a n e 2 7 ) 发现在 超出 闭值数倍的高能量泵浦下， s b s 相 第一章绪 论 位共扼保真度对泵浦脉冲前沿的陡度非常 敏感。 用前沿短于s b s 声子寿 命 的脉冲泵浦时， s b s 对泵浦能量抽空之前， 聚焦区附 近的很大的 区域中s b s 增益超过闽值。 这 就使得噪声模式直接与相位 共扼模式竞争， 导致s b s 相 位共扼保真度存在很大的波动性。 然而当 泵浦波具有缓慢上升的 前沿时， 相位共扼模式在泵浦光低功率部分被有选择的放大，其与后续泵浦脉冲作 川，抑制其他模式随泵浦功率增长， 使其不能达到阐值。 因此即 使输入能 量超过1 0 0 倍闷值时，也可得到好的相位再现。 n . f. a n d r e e v 2 8 1 研究j 聚热 单池、 双池单焦点、 双池双焦点三种结构相 位共垅保真度的波动性。 聚 热 单池的相位共扼保真度的随机波动性很大;双池双焦点结构的相位共扼保 真 度最好也 最稳定。何伟明 采用布里渊增强四 波混频 2 9 1 或是采用在泵浦 光 的 前 沿引 入 缓 慢 上 升的 小信 号 的 方 法 3 01 ， 极 大的 提高 了s b s相 位 共 规 保 真 度的 稳定 性 ( 5 % 以内) 。关于s b s p c m 保真度的研究正在继续。 1 . 3 . 2 s b s脉冲压缩 在激光应用的许多领域都 需要高 强度短脉冲激光. 脉宽压缩是s b s 的 基本特性， 所以 s b s是有效的 压缩激光脉宽的方法之一。 人们对用 s b s 相位共扼压缩激光脉宽进行了 广泛的 理论与 实验研究。 从总体的 研究来着， s b s 脉 冲压 缩系 统 有 聚 焦 单 池 或 波导 3 1-3 31 、 双 池 34 .3 51 、 独 立 双 池 3 61 、 紧 凌 双池等结构 2 6 1 。已 经在红外、 可见光 2 5 1 、 紫外 3 7 . 3 9 光谱区 实现了 有效的 脉 冲压缩， 可获得的 最窄s t o k e s 脉宽为 1 2 0 p s ，脉冲 压缩率高达6 0 倍， 能量 转换效率大于 8 0 %，最大泵浦能量 2 .5 j 。目前常用来做 s b s脉冲压缩试验 的 激 光 器有n d : y a g 4 0 -4 11, n d : y l f , n d : g la s s , 碘、 g l s - 2 2 g la s s 、 红 宝 石、 掺认蓝宝石、k r f , x e c l 激光器 等， s b s 介质多 采用液体和气体， 如 甲醉、丙酮、 水、苯、甲 苯、四氯化碳、二硫化碳、甲 烷、六氟化硫、 环 己 烷、正己 烷、碳氟化合物f c - 7 5 等。 1 . 3 . 3 s b s 相位共扼技术应用 研究的 进展 s b s 相位共扼技术在激光领域有着重要的 应用。 它可应用于 改善 激光 束的 光束质量 ( 其中 包括校正波前畸变和退 偏补偿等) 、应用在激光器振 - 放系统 ( m o p a ) 、压缩脉宽、 激光并束、 波形控制等方面。 化京交通大学硕士论文 、s b s相位共扼 mo p a系统的结构及研究现状 z e l d o v i c h 等人证明了 使用后向s b s 的 相位共扼性质可以 补偿i 畸 变后， 同年 n o s a c h等人1 4 2 1 报道了一种应用方法。红宝石主振荡器功率放大器 o g o p a )系统把放大器输出的光束的发散角从2 . 5 m r a d 减少到 1 . 5 1n r a d . 1 1 前s b s 结构主要分两类:用于 腔外的 m o p a 系统中， 用于 腔内 的微 光振荡系统 -s b s 相位共 辘谐振腔。 2 , mop a系统 用于mo p a 系统的典型实验光路图如图2 所示 -i 11 a t ., 弓一 令 一 仁二 t p ut ， c m 图 2配有s b s 的m o p a 系统光路图 m o p a 系统主要由 主振荡器、 光隔 离器 ( 如图示由 4 5 0 法拉第旋转器 和 偏振器组成) ， 放大器和s b s 相位共扼镜 ( p c m) 组成1 4 3 1 ( 1 ) 主振荡 器 是提供低功率、高光束质量的光源， 在整个m o p a 系统中，主 振荡器的设 计是至关重要的，它决定了整个 mo p a 系统可输出的 光束质量的极限。 s e id e l 曾 设计一 种这样的主振荡豁4 4 1 振荡器是闪光灯泵浦的n d : y a g 激光 器 ， 用 具 有 f 2 .色 中 心 的 l if 晶 体 做 成 的 饱 和 吸 收 器 作 为 被 动 q 开 关， 光 束 是 用介电 薄膜起偏器 起偏， 谐振腔长。 . 7 2 m ，由 ， 一 个曲 率半径为5 m 的1佰 反球 面镜和一 个3 0 % 反射率的 平面输出 祸合镜组成。 这种主振荡器通 常足单 模 运转，输t 1. 的是具有光滑高斯线形持续1 14 间为i o n s 的脉冲。单模脉冲的最 大能量是5 . 3 m j更多可实 现激光系统内主振荡器的 方法， 本文不一 列举， 第一章绪 论 详情请参阅参考文献。 ( 2 )为了达到儿百瓦的输出功率，图中放大器可有 两种设计方案:一种是串行放大，一种是并行放大。串行放大器具有高效 的优点，但不得不考虑一些设计问题。并行放大器输出的光束在s b s 池内 相互祸合， 有望输出k w 级高光束质量的功率。 ( 3 ) 光隔离器的作用是防 j 七 光反射回来后又进入主振荡器， 对光学元件造成损伤， 并降低输出效率. 偏振器偏转元件可以是法拉第旋转器，1 / 4 波片，或菲涅耳棱体。由图可石 出反射回的光经法拉第旋转器后偏振方向与原来光束偏振方向相垂直，从 而不能通过偏振器，不能进入主振荡器。 ( 4 ) p c m即s b s 相位共扼镜，光 束经前面的透镜聚焦后进入s b s 池，产生相位共扼波从而光束原路返回， 返回的光束比普通平面镜做反射镜而返回的光束具有更好的质量。 该系 统的 优点:用p c m 来补偿放大器系统中的相位畸变，所有的光 束 参 数都 是山主振荡器来确定的，因此可输出 近衍射极限高功率的激光， 但 由 于n d _ y a g 激 光晶体具有热感应应力双折射， 不能用相位共扼镜补偿， 导致光束质量下降，损失了 输出功率， 降低了 s b s 镜的反射率。因此需设 计 补偿这 种效应的方案，于是增加了系统的复杂性。 近年来发展了 一种) : 于 激光ij o 体 n d : y a l o 的m o p a 系统。 y a l o 是各向 异性晶体， 没有应力双 折 射 效 应 ， 尽 管 其 热 透 镜效 应是 n d : y a g 的 2 倍 高 ， 但热 透 镜效 应能 被 相 位 少 即l 镜补偿，所以 效率比 y a g 高。 柏林工 业大学 光学 所激光组 研制的 液体 介质s b s 相位共辘镜m o p a 系统的 平均输出功 率己达到 几百瓦以 上， 少 卜 可在 高脉冲重复率下持续运行。 3 、s b s 用于腔内的激光振荡系统 图 3 所示为典型 s b s 相位共辆谐振腔装置示意图 4 5 1 。由 于建立s b s 相位 共扼镜所需 要的 光强必须在激光过程的 初始阶段得到供给， 因此，为 达到 s b s 闽 值， 采用辅助腔，由 反射镜m1 和m 2 组成， 其腔长为l s , e n - 腔内 形成 振荡后，当 s b s 反射率足够大时， s b s 镜和前腔镜m 2 之间的激光振荡形成 一个q f f 关脉冲， 构成一个腔长为 l s b s 的谐振腔， 由 该腔的 激光振荡 给出 达 到s b s 闽 值的功率。 mi 为高 反镜， f 为一 衰减片，作用是提高闽值，增大 激光介 质n d : y a g 的储能， 进而 增大其利 用率。 d l 为光阑， 起选模作用。 北京交通大学硕士论文 mz 为输出祸合镜。 l s t . r t s b s 池 图3 s b s 相位共扼谐振腔实验装置图 该 装置比 其他振荡结构工作效率更高， 能够从单腔的 n d :y a g 振荡的 t e m o o 模中 提取l o w的平均功率14 6 1 。功 率的进一步显著增大要求在辅助胶 内 的更大模式体积，而相位共辘镜作共中 一谐振腔腔镜的 设计 结构， 为这 种要求提供了新的设计思路。 为一优化这种s b s 相位共扼镜谐振腔跟传统的启动谐振腔 ( 即辅助胶) 相结合的设计 结构， 还需考虑以 一下 三个问 题 ( 1 ) 由 于辅助腔必须产生足 够 的功率来超过s b s 闽值 ， 然而， 为达到该目的辅助腔内不需要t e ma u 模来启 动谐振腔，f-1 l 此 该激光系统具有更宽的工作范围。 ( 2 )该谐振腔内的横向 和纵向 模式的演化与 普通谐振腔内 不同。 其横向 和纵向 模式结构己 经理沦 和 实 验 研 究 过， 其 结果 正 在讨 论 中 。 (3 ) 各 种 材 料的 非 线 性 反 射 率 的详 尽 资 料， 特别是振荡腔内声波的运动似乎决定了s b s 谐振腔内的横向模式结构， 己被 理论 和实 验研究4 7 1 为增加 n d : y a g 单腔激光振荡的 近衍射限 光束的 最大平 均输出功率， 采用一每闪1 0 个调q 的脉冲，从而减小峰值功率，避免输出v i 合的 破坏。 该装置能够 产生接近1 7 w的平均输出 功率， 在平均 输出功率日 1 3 . 5 瓦到1 7 瓦 问变 化时，光束质f 3 .i_ p 基本保持不 变。 该 系统优点是可同时 起到调 q 脉冲压 缩，实 验光路简单， 所月 光学儿 第一章绪 论 件少，易于调节，而且输出效率高，平均重复频率达1 k h z e另外该系统 1 4 w -m rri 2 -m r a d 的 亮 度， 比 一 般高 功 率 激 光 器 在 k w 级 平 均 输出 功 率 水 平 下的亮度更高.该系统输出功率可达到1 0 0 瓦。 4 、介质的选择 为产生 s b s相位共扼镜 ( p c m) ，选择 s b s池内的非线性介质是很重 要的。由 于所用介质材料不需要吸收，这对 一 于高平均功率激光系统是有利 的。 为得到低 s b s闽值和高后向反射率，非线性介质的选择应遵循以下两 个原则10 $ l : ( 1 )在布里渊池中的 非线性 机制 应该不依赖于光学吸收的值， 使用对于相位 共扼镜透明的介质，激光辐射在介质中传 播时吸收的热量可 以忽略;( 2 )其他寄生的非线性光学效应，如光学击穿、自聚焦和受激拉 曼散射相对受激布里渊散射应该没有影响， 这可通过不同的介质对受微布 坐渊散射的不同闽 值来实 现。 目 前国内实验 所用最多的 是高压气体和液体 一般情况下，使用气体可以不考虑腐蚀、冒泡、悬浮粒子、凝结等许多液 体中常遇到的问题。 然而液体一般具有较低的s b s阐值和较宽的布里渊线 宽。固体一般用的比较少。 1 9 9 6 年， 柏林工业大学光学所e i c h l e r 新开 发的介质一 石英光纤作为s b s p c m 的专利， 近年来获得飞 快发展。 他采用芯径2 5 - 4 0 0 u m 的多模 石英 光 纤， 最佳化的 光纤相位共辘器反 射率可大于5 0 %， 保真度达9 3 % 0 光纤相位共辘相比气体和液 体相位共扼有以 下优点: ( 1 ) 能在聚焦装 置中 更高的 输入能量下稳定运作1 4 9 1 ( 2 ) 光纤无毒易操作， s b s 液体和气体 介 质常具 有毒 性和高压。 另外光纤方便、轻巧、 无污染。( 3 ) 光纤 相位共 扼镜取 代普通的s b s 盒， 可明显减小峰值功率15 0 1 . ( 4 ) s b s 闽值不太依 赖 于 入射光束质量。 因光纤内部的 模式转换 会导 致s b s 光栅的能量均布，同 一次放大后的光束分布无 关。而采用液体介质的聚焦构型s b s 盒模式， 反 射率和保真度都张烈依赖于 远场入射光束。光纤的这些优越性是非常令人 关注的， 这是全固 化高 光束质量高功率激光系统的发展方向 。 1 . 3 . 4 s b s 相 位共扼结构的发展 趋势 北京交通大学硕士论文 激光器系统必将向小型化、结构化、高功率、高能量和高光束质量方 向 发展，因 此对系统中的元 件提出了 更高的 要求。 s b s 相位共扼镜一方d ig 是为了 在小型化及发展方案中有效的补偿放大器的热感应双折射， 另一方 面是为了从宽带辐射 ( 激光线宽远大于布里渊线宽)的s b s h h 位共扼中得 到好的光束质址。目 前应 该寻找到一种更好的进出放大器和相位共扼镜链 的方法 ， 以消除由于 放大器的双折射效应、实际 偏振器 偏振效果的不完x 导 致的 输出 光束的 退偏现象。对于高能量激光， 需要大孔径的偏振器以 适 合大孔径光束。在提高激光系统的重复频率和抽运能量时s b s 介质偶有击 穿现象， 司 此改 善s b s 池结构来提高s b s 介质的 击穿闲 值， 以 适应高工复频 率和高功率激光系统的 要求， 是s b s 相位共扼镜的 发展趋势。1 0 0 瓦平均输 出功率的光纤相位共骊器的mo p a 激光器是全固化器件的里程碑。利用光 纤相位共扼的半导体激光器泵浦的高重复频率四通放大m o p a 系统也是其 i. ia 一个发展方向。 另外，高重复频率相位共扼，非线性介质中的热载能导致相位共扼反 射率和保真度的下降，因此非线性介质有待于进一步开发。开发出新的非 线性介质， 使介质满足光击穿闽值高，吸收小，易于处理等特性，可能 会 给s b s 相位共扼系统带来飞越性的 发展。 第二章s b s 相位共轨的基木原理和理论 第二章s b s相位共辘的基本原理和理论 2 . 1 引言 近来的研究表明非线性光学相位共扼的应用己经扩展到以下儿个钡 域。( 1 ):、 石 能激光系统和 自 适应光学。( 2 )光学计算。包括图像处理、滤 波和光学存储。( 3 )自由空间和波导通讯系统。包括图像传输、低噪声通 讯和传感器。( 4 )基础研究。包括光谱和量子光学。有许多种非线性光学 方法可以用来获得相位共扼波，如三波和四波混频、受激布里渊散射、受 激拉 曼散 射、 光子回波等。 而 s b s p c m 由 于具有自 泵浦、操作简单、 高 保直度和高能员转换效率等特点，所以人们对它进行大量研究. ， 2 . 2受激布里渊散射原理 在 s b s 过程中，物质激发对应于分子或固体中的声波激发，与介质中 的密度变化直接有关，起因于介质中的电致伸缩或吸收效应。 在入射光电 场作月 j 下，介质中由 于电 致伸缩效应引 起声波的 存在， 入 射光波与声波相互v i 合从而产生斯托克斯散射波。 位 辛 0 晚变 物 盘 sbs卜， 并/二/刁 声/夕厂 少 份 (- i !尸!朴 一口卜. iti川1。 一淞 图 1受激布里渊散射原理图 北京交通大学硕士论文 如图 1 所示， 当 入射光强度超过某个闽 值后， 在散射介质内 产生了受 激声 波场，因 受激声 波与入射光子同时传播，可以 将受 激声 波场视为一 个 移 动着的反 射镜，入射光在它的作用下将同时产生一个背向散射光 ( 即 斯 托克斯散 射波) 。 入射到散 射介质内的畸 变光波产生了 有相同畸变波前的受 激声波，因 此又可将这个反射镜视为可变形反射 镜，其 表面 恰使得反 射光 ( 即散 射光)的 波前与入射光的波前相同 ， 所以 ，反射 光即是入射光的 位 相 共 辘 光 5 1 斯托克斯散射过程可以 看成湮 灭一 个入 射光子，同时 产生 一个散射光 子和感应光子，其能量和动量关系为: v l = v s + v ，( 2 - i ) 反 二 k s 火( 2 - 2 ) 式中，v l i v s 和 v : 分别表示入射光子、散射光子和感应产生的声子 的频率:凡、k s , k , 分别表示三种波量子的波矢。 ks k a ( b ) 瓜(a) x l 与ks夹角为 。 ，( a ) 所示为向 前方散射，( b ) 为向 后方散射。 由上述能量关系式可以看出，散射子的频率小于入射光子的频率，这 第二童s b s 相位共扼的基本原理和理论 种散射光子的频率小于入射光子的频率的情况称为斯托克斯散射。 在受激布里渊散射中，由 于声子频率比 光子频率小得多，即v 。 v l , 、 。 ， 故可认为v l v s 或k l = k s ， 则可近似得 ( 1 / 2 ) k a = k , s i n ( 9 / 2 ) ( 2 - 3 ) 其中 移量为: k , ( 2 二v ) / c , k . ( 2 二v , ) / v , v为声速，散射光的 频 厂任一合万 卜2目到 9口内卜、卫月 (与 v = v 二 一v 。 二 一 v . 1 = - 2 v ,. s i n ( e v j 2 ) ( n s ) / c 由上式知，光散射角 e = 二时，频移量最大，为 ( v ) m a x = v l ( 2 n l v ) / c 这对应于后向受激布里渊散射，此时声波场与入射波场同向， 波场反向。 受激布里渊散射的 另外一种过程一 反斯托克斯 过程: 湮灭一个入 射光子 和声子，同 时产生一个散射光子。 这时的能 量守恒和动量守恒关系为: vl +v g =v a s ( 2 - 6 ) 凡话 k s ( 2 - 7 ) k s k a ( b ) 爪(a) 凡 k , 与夹角为 e i l 京交通大学硕士论文 2 .3 受 激布里渊散射过程的 数学描述 描述受激布里渊散 射的方程主要有三 个5 2 1 . 连续性为 一 程: (2-(z-l阳一厂 臀 十 p uv - v 一 0 介质中 的声波场由纳维 一 斯托克斯 ( n a v i e r - s t o k e s ) 方程描述 p o 零十 斗 o p + v z,6 r p o v : 一 二 2v = yv e 2 一 二 z a s ) v : ( i t y- y- a 能量输运方程: _ a t po lv- a t a , v 2 : 一 c , (y e - i) a p 二 ，, c a e 2 + (a 1 n t .e a e 八 a t o t 一 a t 式 中 介 质 的 密 度为 :p = 几十 p ，如+ p a , 是 密 度的 变 化量 ; 介质中的声速， 其大小用v表示; 温度为t = t u + a t , 其中 t 1 0 0 c m时，s b s的能量反射率 r e 与 l b之间 的 关 系， 其 中曲 线1 至8 分 别 对 应 于 泵 浦 峰 值 功 率ip = 0 .5 , 0 .8 , 2 , 4 , 6 , 8 , 1 0 , 1 2 m w时的 情况: d ) 为 s b s 饱 和能量反射率r e l 与 透镜焦距f 间 的 关 系， 曲 线1 至1 1 对 应 于i p = 0 .5 , 0 .8 , 1 , 2 . 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 1 0 , 1 2 m w 时的情况。 从上图中可直观的看出，在每种透镜焦距 f 情况下，不论泵浦峰值功 北京交通大学硕士论文 率i p 取何值，当s b s 末端坐标l b 增加到一 定程度时， s b s 的能量反射率 总能 趋向于 饱和。 当池长超过饱和点 后， 再增加池长并不能导致s b s 能量 反射率的提高。这一规律也为我们确定最佳 s b s 系统结构提供了依据。对 于同一聚 焦情形， 泵浦的增加，导致 s b s饱 和反 射率的 增加。 对比a ) , b ) , c