受激布里渊散射，压缩脉宽突破四分之一声波振荡周期
受激布里渊散射
受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Sattering，SBS）是一种三阶非线性光学效应，其过程主要利用高强度泵浦光激发弹性介质的电致伸缩效应，进而产生周期变化的声子场（密度场）。连续振动的声子场对正向传输的泵浦光产生实时散射，该散射方向通常是全空间域的，但沿与泵浦光完全反向而传输的初始种子光可获得最高增益，最终经过有效相互作用长度内的干涉叠加形成亮度极高的斯托克斯光输出。值得注意的是，SBS属于参量过程，即泵浦光子、斯托克斯光子、声子三者符合动能守恒。在理想情况下，起源于零点效应的声子场不引入额外的相位畸变时，所有的斯托克斯光子均为共轭模式，SBS的能量反射率可无限接近100%。SBS因具有的优异特性而应用广泛，比如相位共轭、脉冲压缩、光束整形（时空）、布里渊增强四波混频、慢光和激光合束等。
基于SBS脉冲压缩特性的脉冲压缩器是其最广泛的应用之一，这是一种获得数百皮秒激光脉冲的有效手段，在惯性约束聚变冲击点火百皮秒激光脉冲的研究中具有重要的应用前景。根据产生SBS的阈值增益可将压缩过程分为稳态，准稳态和瞬态三种情况。瞬态SBS可以获得更短脉宽的输出。基于SBS脉冲压缩的皮秒激光系统，短脉冲激光被激光放大器直接放大时，既避免了高峰值功率引起的非线性光学效应和光损伤的风险，同时又充分利用了长脉冲激光放大，可以充分提取激光放大器的储能，获得大能量的短脉冲激光。
高光束质量瞬态脉冲压缩
近日，河北工业大学先进激光技术研究中心的吕志伟教授和王雨雷教授团队利用SBS脉冲压缩技术，成功将780 ps的泵浦光脉冲压缩至115 ps，且光束质量M2小于1.2。团队利用超滤技术的同时控制SBS介质池中焦点大小和相互作用长度，成功减少了热效应以及光学击穿对瞬态SBS的影响，有效改善了激光过程中的热畸变。同时实现了高光束质量和高亮度的窄脉宽激光脉冲输出。这是关于瞬态SBS获得平均脉冲宽度短于四分之一声波振荡周期脉冲输出的首次报道。
成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第6期的文章(Jianfeng Yue, Yulei Wang, Mengyu Jia, et al. A 115 ps, 100 Hz high-beam-quality laser based on transient stimulated Brillouin scattering pulse compression[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023,11(6), 06000e70)。
系统结构如图1所示，主要由泵浦源，隔离系统以及介质池组成，其中泵浦源脉冲激光重复频率为100 Hz，单脉冲能量为70 mJ。介质采用FC-770，关键参数如表1所示。
图1 实验装置图
表1 FC-770参数
在高重频瞬态SBS中，热效应和光学击穿被认为是限制能量反射率和脉冲压缩的重要因素。因此，该团队对介质进行了超滤，以减小介质中杂质的数量和大小，从而减小热效应并提升击穿阈值。根据图2的结果，随着泵浦能量增加，脉冲宽度的变化趋势与稳态条件相似。不同的是，在最佳相互作用长度条件下，平均脉冲宽度与短相互作用长度条件下相比略有展宽。他们认为，增加相互作用长度会加剧介质中的热效应，阻碍了斯托克斯光对泵浦光的提取，导致输出脉冲宽度增加。此外，不同焦距对应不同的焦点大小，击穿阈值与之直接相关。当焦点过小时，击穿阈值迅速降低，导致SBS极不稳定，时空特性劣化。而大焦点则会降低SBS产生的区域强度和散射强度。在该工作中，最佳透镜焦距为200 mm，对应焦点大小为150 μm。在获得最窄脉宽的时测得光束质量为
图3 光束质量M2
值得注意的是，尽管增加相互作用长度会导致平均输出脉冲宽度增加，但图4结果显示最窄的脉冲宽度是出现在较长相互作用长度条件下。因此，在瞬态SBS中想要获得更窄的脉冲光宽度需要增加相互作用长度，在此之前还需先解决稳定性下降的问题。该研究为深入理解和优化高重频瞬态SBS脉冲压缩过程提供了重要的启示，并为实现更窄的脉冲宽度和更高的稳定性奠定了坚实的基础。
总结与展望
此项技术在激光测距和加工领域具有广泛应用前景。该团队正不断探索新的技术手段，以改善热效应，并朝着实现100 ps以下、更高峰值功率的脉冲输出的目标不断努力。这将为更多需要短脉冲大能量激光器的应用场景提供重要支持，为相关领域带来更先进、更高效的激光应用解决方案。
作
者
信
息
岳剑峰，河北工业大学电子科学与技术专业博士生，导师为王雨雷教授，主要研究方向为高功率固体激光技术与非线性光学。
王雨雷，教授，河北工业大学电子信息工程学院院长，先进激光技术研究中心副主任，河北省先进激光技术与装备重点实验室主任，英国帝国理工访问学者。曾获总装备部科技攻关先进个人、黑龙江省自然科学一等奖、军队科技一等奖、河北省技术发明二等奖等奖项。天津市光学学会副理事长、天津市激光学会常务理事，《应用光学》、《中国激光》杂志青年编委，国家科技奖励计划评审专家，主要从事受激布里渊散射(SBS)和高功率激光技术研究承担了国家科技重大专项、863高技术重点项目、国家自然科学基金优秀青年基金、重点项目和面上项目等课题20余项，发表SCI收录论文100余篇，获得授权发明专利25项。
于宇，教授，博士生导师，河北工业大学先进激光技术研究中心副主任，中国高科技产业化研究会理事，主要从事高重频大能量短脉冲激光放大及非线性频率变换技术研究。主持国家自然科学基金青年项目，河北省自然科学基金青年项目和横向项目等10余项。在业内顶级SCI期刊Advanced Optical Materials、ACS Photonics、Photonics Research、Journal of Physical Chemistry Letters等杂志发表SCI检索论文70余篇，论文总被引857次，单篇最高被引111次(入选ESI全球前1%高被引论文）。
吕志伟，“长江学者”特聘教授，教授、博士生导师，河北工业大学学术委员会主任、先进激光技术研究中心主任。担任中国光学学会激光专业委员会副主任、中国电子学会工业工程分会副主任、中国工程教育电子信息与电气工程类专业认证委员会副主任。长期从事高功率固体激光技术、非线性光学和激光光谱技术的教学和科研工作，主持国家重大专项项目、国家重大科技工程项目、国家863高技术项目、国家自然科学基金重大仪器专项项目和重点项目等科研项目50余项。成果获军队科技进步一等奖2项、黑龙江省自然科学奖一等奖1项、航天工业总公司科技进步二等奖1项。发表学术论文400余篇，授权发明专利40余项。
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