200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究

康治军，张鸿博，闫晓超，郎 野，白振岙，樊仲维*

(1. 中国科学院 光电研究院 国家半导体泵浦激光工程技术研究中心，北京100094;2. 中国科学院大学，北京 101407;3. 北京国科世纪激光技术有限公司，北京 102211;4. 北京理工大学 光电学院，北京 100081)

1 引 言

高峰值功率短脉冲激光在等离子体产生[1]、非线性光学和激光精细光谱研究、汤姆逊散射激光雷达(LIDAR)诊断、激光探测与测距[2]、光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)泵浦以及激光医疗等领域有着重要的应用价值。而受激布里渊散射(SBS)脉冲压缩是实现高峰值功率短脉冲激光的一种有效技术手段[3]，它在脉宽压缩的同时，具有非常高的SBS能量转换效率，可使峰值功率提高至数十倍，而且具备相位共轭光束质量改善能力[4-5]。所以，一直是高强度短脉冲激光领域的研究热点。

1998年，Kmetik等人报道了10 Hz/～500 mJ/900 ps的SBS脉宽压缩激光用于极紫外和X射线产生[6]；2006年，MITRA等人实现10 Hz/770 ps/1.5 J的SBS脉宽压缩用于汤姆逊散射激光雷达诊断[7]；2014年，Ogino等人采用10 Hz/400 ps/34 mJ的SBS脉宽压缩激光器用于OPCPA泵浦[8]；2017年，Tarasov等人实现了10 Hz/300 mJ/400～750 ps的SBS脉宽压缩用于激光医疗[9]。但是，迄今为止，SBS脉宽压缩主要集中在1～10 Hz低重复频率激光器的脉宽压缩研究。如，2009年，日本大阪大学 Yoshida等人采用FC-40介质振荡放大双池结构实现低重频下160 ps的单次脉冲压缩[10-11]；2013年，柏林光学与原子物理所Lux等人采用单池结构实现了10 mJ/800 ps的脉宽压缩，重复频率为10 Hz[12]；2014年，新墨西哥大学Xu等人采用独立双池结构实现1.25 Hz/1.2 J/330 ps的高稳定性脉宽压缩[13]；2017年，新墨西哥大学Feng等人采用独立双池结构获得了1.3 J/170 ps声子寿命极限的脉宽压缩，工作频率为1 Hz[14]。国内，2016年，哈尔滨工业大学白振旭等人采用紧凑单池振荡放大结构实现420 mJ/430 ps的脉宽压缩，泵浦源为低重频工作的灯泵激光器[15]；2015年，哈尔滨工业大学王雨雷等人采用非聚焦池结构实现了3 J/360 ps的脉宽压缩，激光器为单次脉冲的钕玻璃激光器[16]。

本文采用超净封闭型SBS相位共轭镜，无需循环池及楔形镜旋转结构装置下，克服了高重频SBS的光学击穿与热效应制约瓶颈，实现了200 Hz重复频率的SBS脉宽压缩，并且开展了主振荡放大激光器(MOPA)SBS脉宽二次压缩与SBS振荡放大脉宽压缩对比实验，在200 Hz重复频率下，采用SBS二次级联压缩结构实现了从30 ns到1.9 ns的脉宽压缩，采用SBS振荡放大池结构实现了从4 ns到376 ps的脉宽压缩。

2 实验装置

2.1 SBS二次级联压缩激光器

实验装置如图1所示，激光器装置由种子源、预放大单元和功率放大单元组成， SBS二次级联压缩由两个SBS池子构成。种子源为声光调Q的Nd∶YAG单纵模激光器，通过标准具选单与腔长伺服反馈控制系统确保100%单纵模输出。种子光首先通过模式匹配透镜L1进入预放大单元，为防止预放大单元反馈光对单频种子源造成的影响，加入两个光隔离器；预放大单元由两个直径Φ3 mm的侧泵模块构成，为减小侧泵模块热致双折射引起的退偏损耗，在两个Φ3 mm模块之间加入90°石英旋光器和负透镜对其进行补偿；经过Φ3 mm模块单程放大后，依次经过1/4波片和全反镜，经全反镜反射后，再次经过两个Φ3 mm模块进行双程放大，并从隔离器2反射后经过像传递系统进入功率放大单元；功率放大单元由两个直径Φ6.35 mm的侧泵模块构成，中间加入90°石英旋光器和负透镜对热致双折射进行补偿；经过Φ6.35 mm模块单程放大后，依次经过1/4波片、聚焦透镜和第1级SBS相位共轭镜，放大光束经过第1级SBS脉宽压缩后，反射的Stokes光再次经过Φ6.35 mm模块双程放大，再进入第2级SBS池进行脉宽压缩，最后从偏振片P2反射输出。

图1 SBS二次级联压缩激光器装置 Fig.1 Laser device of two cascade SBS pulse width compression

2.2 SBS振荡放大压缩激光器

实验装置原理图如图2所示，SBS振荡放大压缩激光器采用相同的MOPA放大光路，但SBS脉宽压缩装置采用振荡放大双池结构。如图所示，种子光经过两个Φ3 mm侧泵模块双程放大后，再经过两个Φ6.35 mm侧泵模块单程放大之后经过1/4波片、扩束镜、聚焦镜，最后泵浦光依次进入SBS放大池和产生池进行脉宽压缩，由SBS产生池产生的Stokes光，进入SBS放大池放大后，再次经过两个Φ6.35 mm侧泵模块双程放大后偏振耦合输出，SBS产生池和放大池长L=500 mm。

图2 SBS振荡放大双池脉宽压缩激光器装置 Fig.2 Laser device of SBS oscillation amplification double cell structure

3 实验结果与讨论

3.1 SBS介质选择

SBS脉宽压缩与泵浦光参数、SBS介质参数、SBS池子结构密切相关，如式所示:

(1)

脉宽压缩比与SBS介质的尺寸、增益系数、泵浦光强度成反比，而与介质的声子寿命成正比，为获得短的SBS脉宽压缩，需要选择声子寿命短的SBS介质；为获得高效Stokes放大，需要选择足够高增益系数介质；为满足高损伤阈值要求，需要选择具有低吸收高负载能力的液体SBS介质；因此，为满足高重频激光器SBS脉宽压缩要求，本文选择具有高增益系数、低吸收系数以及高损伤阈值的氟化碳FC-770作为SBS介质，其物理化学特性如表1所示。

表1 SBS介质物理化学特性Tab.1 Physical and chemical properties of SBS medium

另外，SBS介质光学击穿除介质本身的物理化学性质外，还取决于介质中杂质悬浮颗粒的数量和大小，杂质颗粒通过大量吸收光能，局部加热电离产生自由电子引发雪崩效应，进而发生光学击穿。因此，介质杂质颗粒越大，光学击穿阈值越低；介质杂质颗粒越多，发生光学击穿概率越高；而且在高重复频率激光运行下，SBS击穿概率非线性增加，这也是目前SBS脉宽压缩仅限于1～10 Hz低重复频率工作的原因。为减小SBS介质杂质颗粒，采用多层薄膜循环超滤技术，将杂质微颗粒控制在0.1 μm以下，可大大提高SBS介质损伤阈值，基于该超净封闭型SBS池开展200 Hz高重频SBS脉宽压缩实验。

3.2 SBS二次级联压缩实验

SBS二次级联压缩通过第一个SBS池子进行脉宽压缩，将反射回来的Stokes光接着经过第二个SBS池子再次进行压缩，如图3所示。

图3 SBS二次级联脉宽压缩光路图 Fig.3 Schematic diagram of two cascade SBS pulse width compression

SBS二次脉宽压缩的泵浦源通过MOPA放大激光器产生，种子光脉冲能量为8 μJ，经过两个Φ3 mm侧泵模块双程放大后，输出能量达15 mJ，再通过像传递进入两个Φ6.35 mm模块放大后，输出能量达100 mJ，脉冲宽度～32 ns。该泵浦光通过f=300 mm的聚焦镜耦合进第一个SBS池，经过第一级SBS脉宽压缩后，Stokes光经过Φ6.35 mm模块双程放大后，进入第二级SBS池子二次脉宽压缩。实验结果如图4(左)所示，第一次SBS脉冲压缩将脉宽从～32 ns压缩到～8 ns，但脉冲上升沿陡峭，上升沿达到～1 ns，呈现上升沿抖下降沿缓的脉冲波形。这是由于SBS脉宽压缩利用受激布里渊散射的阈值效应所致，当泵浦光强超过SBS阈值后，产生初始后向传输的Stokes光与正向传输的泵浦光相遇产生干涉，从而加强声波光栅，该声波光栅不断反射泵浦光，使得泵浦光能量几乎全部转移到Stokes光，而且由于初始的Stokes光前沿首先与剩余泵浦光脉冲相遇，因此，Stokes光脉冲前沿因增益饱和效应被优先放大而上升很快，后沿则很少参与耦合放大，从而实现很窄的前抖后缓SBS脉冲压缩。第二次SBS脉宽压缩如图4(右)所示，脉冲宽度从～8 ns脉宽压缩到脉宽主峰1.9 ns，脉冲前沿更加陡峭，上升沿达到～600 ps，但后沿明显出现很长拖尾现象。其原因如下:为获得最佳SBS脉宽压缩，SBS最佳池长应为泵浦光脉冲宽度一半时的光程长，在二次级联脉宽压缩实验中，泵浦光经过第一次SBS压缩后，脉冲宽度为8 ns，其对应的SBS脉宽压缩最佳池长应为1.2 m，而在第二级SBS脉宽压缩时，SBS池长只有～450 mm， SBS池子相互作用长度不足以完全实现Stokes光进行能量转换，后向传输的Stokes光随着声波光栅移出SBS池，即产生的1.9 ns脉冲主峰移出SBS池，而剩余部分的泵浦光脉冲只呈现反射特性，并没有进行脉冲压缩，从而使得脉冲尾部产生拖尾现象。

图4 第一级SBS脉宽压缩(左)和第二级SBS脉宽压缩(右)波形图 Fig.4 Pulse waveform diagram of first stage SBS pulse width compression(left) and second stage SBS pulse width compression(right)

从实验结果可以看出，二次级联SBS脉宽压缩从～32 ns压缩到～1.9 ns，具有很高的脉宽压缩比，而且当第一级SBS泵浦能量达100 mJ时，经过两个Φ6.35 mm模块放大后，输出能量达到300 mJ，SBS饱和反射率达94%，该封闭型SBS在200 Hz重频下工作无任何光学击穿现象。同时，SBS二次级联脉宽压缩拖尾现象严重，由于SBS池长受限所致，为了能获得更短的脉宽压缩，将进一步通过减小MOPA放大激光器脉宽实现百pS级的SBS脉宽压缩。

3.3 SBS振荡放大脉宽压缩实验

如图5所示，采用振荡放大双池结构开展SBS脉宽压缩实验，首先MOPA放大激光经过扩束镜准直后，经过f=1 000 mm长焦透镜耦合进SBS放大池，然后再经过f=400 mm的聚焦镜耦合进SBS产生池。为获得百ps级的脉宽压缩，采用脉冲宽度为～4 ns的种子源，经过MOPA放大后输出能量可达到100 mJ，为避免百ps级脉宽对双程放大侧泵模块的光学损伤，将SBS注入能量控制在30 mJ以下。

图5 SBS振荡放大双池结构光路示意图 Fig.5 Schematic diagram of SBS oscillation amplification double cell structure

如图6所示，当SBS注入能量达30 mJ时，采用上升时间47 ps、带宽8 GHz的示波器(DP070804C)测量Stokes光脉宽，脉冲宽度从～4 ns压缩到376 ps，但脉冲尾部略有调制，这是由于SBS产生池长度不够长，SBS最佳池长应为泵浦光脉冲宽度一半时的光程长，而泵浦光脉宽为4 ns，其对应的最佳SBS相互作用长度为600 mm，SBS池长只有500 mm，因此，当后向传输的Stokes光随着声波光栅移出SBS池的时候，剩余的泵浦光再次产生SBS效应，从而使得脉冲尾部产生调制。

图6 SBS振荡放大双池脉宽压缩波形图 Fig.6 Pulse waveform diagram of SBS oscillation amplification double cell pulse width compression

SBS脉宽压缩波形不仅与泵浦光脉宽、SBS池长有关，而且与泵浦光强、SBS阈值起始时刻密切相关，如图7所示，在不同注入能量下，SBS产生池产生的Stokes光脉冲波形，从实验结果可以看出，当泵浦光能量在SBS阈值附近时，SBS起始时刻靠近脉冲尖峰位置，由于SBS阈值效应，Stokes光上升沿陡峭，但当Stokes光移出SBS池窗口位置时(即红色点位置)，剩余的泵浦光只被声波光栅反射而没有脉宽压缩效应，因此Stokes光未被压窄部分的脉冲包络呈高斯型。随着泵浦光能量增加，SBS阈值起始时刻逐渐移向泵浦光脉冲前沿底部，Stokes光上升沿光强则变得更强，而Stokes光脉冲下降沿逐渐有凸起，这也是造成SBS振荡放大双池结构Stokes光脉冲尾部调制的原因。

图7 不同泵浦能量下SBS脉宽压缩的Stokes光波形图 Fig.7 Stokes light waveforms of SBS pulse width compression under different pumping energy

当SBS注入能量30 mJ，经过两个Φ6.35 mm模块双程放大后，Stokes输出能量达到50 mJ，而且SBS在脉宽压缩的同时，利用相位共轭特性对光束畸变进行补偿，使得光束质量明显得到改善。如图8所示，当MOPA放大光束经过Φ6.35 mm单程放大后，光束产生畸变，光强产生调制，而经过SBS双程放大后，由于SBS的空间滤波效应，消除了高阶畸变，获得了匀滑的高斯光强分布，利用该封闭型SBS相位共轭镜在200 Hz重复频率下运行，无光学击穿现象。

4 结 论

本文设计搭建了高重复频率工作的SBS脉宽压缩激光器。利用封闭型SBS相位共轭镜作为脉宽压缩装置，开展了200 Hz重频SBS二次级联脉宽压缩和振荡放大双池结构脉宽压缩实验。在SBS二次级联脉宽压缩实验中，实现了脉冲宽度从～32 ns压缩到脉冲主峰1.9 ns，脉宽压缩倍率达16倍；而在振荡放大双池结构脉宽压缩实验中，实现了脉冲宽度从～4 ns压缩到376 ps，脉宽压缩倍率达10倍，Stokes光输出能量约50 mJ，SBS相位共轭镜无任何光学击穿现象发生。实验结果表明，本文所采用的封闭型SBS相位共轭镜，完全可以适用于高重复频率的SBS脉宽压缩，而采用SBS振荡放大双池结构可以将脉宽压缩至数百皮秒，且具有更好的承载能力，下一步将开展更高平均功率的SBS脉宽压缩实验。