200 Hz高重復頻率SBS脈寬壓縮實驗研究

康治軍，張鴻博，閆曉超，郎 野，白振岙，樊仲維*

(1. 中國科學院 光電研究院 國家半導體泵浦激光工程技術(shù)研究中心，北京100094;2. 中國科學院大學，北京 101407;3. 北京國科世紀激光技術(shù)有限公司，北京 102211;4. 北京理工大學 光電學院，北京 100081)

1 引 言

高峰值功率短脈沖激光在等離子體產(chǎn)生[1]、非線性光學和激光精細光譜研究、湯姆遜散射激光雷達(LIDAR)診斷、激光探測與測距[2]、光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)泵浦以及激光醫(yī)療等領(lǐng)域有著重要的應用價值。而受激布里淵散射(SBS)脈沖壓縮是實現(xiàn)高峰值功率短脈沖激光的一種有效技術(shù)手段[3]，它在脈寬壓縮的同時，具有非常高的SBS能量轉(zhuǎn)換效率，可使峰值功率提高至數(shù)十倍，而且具備相位共軛光束質(zhì)量改善能力[4-5]。所以，一直是高強度短脈沖激光領(lǐng)域的研究熱點。

1998年，Kmetik等人報道了10 Hz/～500 mJ/900 ps的SBS脈寬壓縮激光用于極紫外和X射線產(chǎn)生[6]；2006年，MITRA等人實現(xiàn)10 Hz/770 ps/1.5 J的SBS脈寬壓縮用于湯姆遜散射激光雷達診斷[7]；2014年，Ogino等人采用10 Hz/400 ps/34 mJ的SBS脈寬壓縮激光器用于OPCPA泵浦[8]；2017年，Tarasov等人實現(xiàn)了10 Hz/300 mJ/400～750 ps的SBS脈寬壓縮用于激光醫(yī)療[9]。但是，迄今為止，SBS脈寬壓縮主要集中在1～10 Hz低重復頻率激光器的脈寬壓縮研究。如，2009年，日本大阪大學 Yoshida等人采用FC-40介質(zhì)振蕩放大雙池結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低重頻下160 ps的單次脈沖壓縮[10-11]；2013年，柏林光學與原子物理所Lux等人采用單池結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了10 mJ/800 ps的脈寬壓縮，重復頻率為10 Hz[12]；2014年，新墨西哥大學Xu等人采用獨立雙池結(jié)構(gòu)實現(xiàn)1.25 Hz/1.2 J/330 ps的高穩(wěn)定性脈寬壓縮[13]；2017年，新墨西哥大學Feng等人采用獨立雙池結(jié)構(gòu)獲得了1.3 J/170 ps聲子壽命極限的脈寬壓縮，工作頻率為1 Hz[14]。國內(nèi)，2016年，哈爾濱工業(yè)大學白振旭等人采用緊湊單池振蕩放大結(jié)構(gòu)實現(xiàn)420 mJ/430 ps的脈寬壓縮，泵浦源為低重頻工作的燈泵激光器[15]；2015年，哈爾濱工業(yè)大學王雨雷等人采用非聚焦池結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了3 J/360 ps的脈寬壓縮，激光器為單次脈沖的釹玻璃激光器[16]。

本文采用超凈封閉型SBS相位共軛鏡，無需循環(huán)池及楔形鏡旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)裝置下，克服了高重頻SBS的光學擊穿與熱效應制約瓶頸，實現(xiàn)了200 Hz重復頻率的SBS脈寬壓縮，并且開展了主振蕩放大激光器(MOPA)SBS脈寬二次壓縮與SBS振蕩放大脈寬壓縮對比實驗，在200 Hz重復頻率下，采用SBS二次級聯(lián)壓縮結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了從30 ns到1.9 ns的脈寬壓縮，采用SBS振蕩放大池結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了從4 ns到376 ps的脈寬壓縮。

2 實驗裝置

2.1 SBS二次級聯(lián)壓縮激光器

實驗裝置如圖1所示，激光器裝置由種子源、預放大單元和功率放大單元組成， SBS二次級聯(lián)壓縮由兩個SBS池子構(gòu)成。種子源為聲光調(diào)Q的Nd∶YAG單縱模激光器，通過標準具選單與腔長伺服反饋控制系統(tǒng)確保100%單縱模輸出。種子光首先通過模式匹配透鏡L1進入預放大單元，為防止預放大單元反饋光對單頻種子源造成的影響，加入兩個光隔離器；預放大單元由兩個直徑Φ3 mm的側(cè)泵模塊構(gòu)成，為減小側(cè)泵模塊熱致雙折射引起的退偏損耗，在兩個Φ3 mm模塊之間加入90°石英旋光器和負透鏡對其進行補償；經(jīng)過Φ3 mm模塊單程放大后，依次經(jīng)過1/4波片和全反鏡，經(jīng)全反鏡反射后，再次經(jīng)過兩個Φ3 mm模塊進行雙程放大，并從隔離器2反射后經(jīng)過像傳遞系統(tǒng)進入功率放大單元；功率放大單元由兩個直徑Φ6.35 mm的側(cè)泵模塊構(gòu)成，中間加入90°石英旋光器和負透鏡對熱致雙折射進行補償；經(jīng)過Φ6.35 mm模塊單程放大后，依次經(jīng)過1/4波片、聚焦透鏡和第1級SBS相位共軛鏡，放大光束經(jīng)過第1級SBS脈寬壓縮后，反射的Stokes光再次經(jīng)過Φ6.35 mm模塊雙程放大，再進入第2級SBS池進行脈寬壓縮，最后從偏振片P2反射輸出。

圖1 SBS二次級聯(lián)壓縮激光器裝置 Fig.1 Laser device of two cascade SBS pulse width compression

2.2 SBS振蕩放大壓縮激光器

實驗裝置原理圖如圖2所示，SBS振蕩放大壓縮激光器采用相同的MOPA放大光路，但SBS脈寬壓縮裝置采用振蕩放大雙池結(jié)構(gòu)。如圖所示，種子光經(jīng)過兩個Φ3 mm側(cè)泵模塊雙程放大后，再經(jīng)過兩個Φ6.35 mm側(cè)泵模塊單程放大之后經(jīng)過1/4波片、擴束鏡、聚焦鏡，最后泵浦光依次進入SBS放大池和產(chǎn)生池進行脈寬壓縮，由SBS產(chǎn)生池產(chǎn)生的Stokes光，進入SBS放大池放大后，再次經(jīng)過兩個Φ6.35 mm側(cè)泵模塊雙程放大后偏振耦合輸出，SBS產(chǎn)生池和放大池長L=500 mm。

圖2 SBS振蕩放大雙池脈寬壓縮激光器裝置 Fig.2 Laser device of SBS oscillation amplification double cell structure

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 SBS介質(zhì)選擇

SBS脈寬壓縮與泵浦光參數(shù)、SBS介質(zhì)參數(shù)、SBS池子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如式所示:

(1)

脈寬壓縮比與SBS介質(zhì)的尺寸、增益系數(shù)、泵浦光強度成反比，而與介質(zhì)的聲子壽命成正比，為獲得短的SBS脈寬壓縮，需要選擇聲子壽命短的SBS介質(zhì)；為獲得高效Stokes放大，需要選擇足夠高增益系數(shù)介質(zhì)；為滿足高損傷閾值要求，需要選擇具有低吸收高負載能力的液體SBS介質(zhì)；因此，為滿足高重頻激光器SBS脈寬壓縮要求，本文選擇具有高增益系數(shù)、低吸收系數(shù)以及高損傷閾值的氟化碳FC-770作為SBS介質(zhì)，其物理化學特性如表1所示。

表1 SBS介質(zhì)物理化學特性Tab.1 Physical and chemical properties of SBS medium

另外，SBS介質(zhì)光學擊穿除介質(zhì)本身的物理化學性質(zhì)外，還取決于介質(zhì)中雜質(zhì)懸浮顆粒的數(shù)量和大小，雜質(zhì)顆粒通過大量吸收光能，局部加熱電離產(chǎn)生自由電子引發(fā)雪崩效應，進而發(fā)生光學擊穿。因此，介質(zhì)雜質(zhì)顆粒越大，光學擊穿閾值越低；介質(zhì)雜質(zhì)顆粒越多，發(fā)生光學擊穿概率越高；而且在高重復頻率激光運行下，SBS擊穿概率非線性增加，這也是目前SBS脈寬壓縮僅限于1～10 Hz低重復頻率工作的原因。為減小SBS介質(zhì)雜質(zhì)顆粒，采用多層薄膜循環(huán)超濾技術(shù)，將雜質(zhì)微顆粒控制在0.1 μm以下，可大大提高SBS介質(zhì)損傷閾值，基于該超凈封閉型SBS池開展200 Hz高重頻SBS脈寬壓縮實驗。

3.2 SBS二次級聯(lián)壓縮實驗

SBS二次級聯(lián)壓縮通過第一個SBS池子進行脈寬壓縮，將反射回來的Stokes光接著經(jīng)過第二個SBS池子再次進行壓縮，如圖3所示。

圖3 SBS二次級聯(lián)脈寬壓縮光路圖 Fig.3 Schematic diagram of two cascade SBS pulse width compression

SBS二次脈寬壓縮的泵浦源通過MOPA放大激光器產(chǎn)生，種子光脈沖能量為8 μJ，經(jīng)過兩個Φ3 mm側(cè)泵模塊雙程放大后，輸出能量達15 mJ，再通過像傳遞進入兩個Φ6.35 mm模塊放大后，輸出能量達100 mJ，脈沖寬度～32 ns。該泵浦光通過f=300 mm的聚焦鏡耦合進第一個SBS池，經(jīng)過第一級SBS脈寬壓縮后，Stokes光經(jīng)過Φ6.35 mm模塊雙程放大后，進入第二級SBS池子二次脈寬壓縮。實驗結(jié)果如圖4(左)所示，第一次SBS脈沖壓縮將脈寬從～32 ns壓縮到～8 ns，但脈沖上升沿陡峭，上升沿達到～1 ns，呈現(xiàn)上升沿抖下降沿緩的脈沖波形。這是由于SBS脈寬壓縮利用受激布里淵散射的閾值效應所致，當泵浦光強超過SBS閾值后，產(chǎn)生初始后向傳輸?shù)腟tokes光與正向傳輸?shù)谋闷止庀嘤霎a(chǎn)生干涉，從而加強聲波光柵，該聲波光柵不斷反射泵浦光，使得泵浦光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到Stokes光，而且由于初始的Stokes光前沿首先與剩余泵浦光脈沖相遇，因此，Stokes光脈沖前沿因增益飽和效應被優(yōu)先放大而上升很快，后沿則很少參與耦合放大，從而實現(xiàn)很窄的前抖后緩SBS脈沖壓縮。第二次SBS脈寬壓縮如圖4(右)所示，脈沖寬度從～8 ns脈寬壓縮到脈寬主峰1.9 ns，脈沖前沿更加陡峭，上升沿達到～600 ps，但后沿明顯出現(xiàn)很長拖尾現(xiàn)象。其原因如下:為獲得最佳SBS脈寬壓縮，SBS最佳池長應為泵浦光脈沖寬度一半時的光程長，在二次級聯(lián)脈寬壓縮實驗中，泵浦光經(jīng)過第一次SBS壓縮后，脈沖寬度為8 ns，其對應的SBS脈寬壓縮最佳池長應為1.2 m，而在第二級SBS脈寬壓縮時，SBS池長只有～450 mm， SBS池子相互作用長度不足以完全實現(xiàn)Stokes光進行能量轉(zhuǎn)換，后向傳輸?shù)腟tokes光隨著聲波光柵移出SBS池，即產(chǎn)生的1.9 ns脈沖主峰移出SBS池，而剩余部分的泵浦光脈沖只呈現(xiàn)反射特性，并沒有進行脈沖壓縮，從而使得脈沖尾部產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象。

圖4 第一級SBS脈寬壓縮(左)和第二級SBS脈寬壓縮(右)波形圖 Fig.4 Pulse waveform diagram of first stage SBS pulse width compression(left) and second stage SBS pulse width compression(right)

從實驗結(jié)果可以看出，二次級聯(lián)SBS脈寬壓縮從～32 ns壓縮到～1.9 ns，具有很高的脈寬壓縮比，而且當?shù)谝患塖BS泵浦能量達100 mJ時，經(jīng)過兩個Φ6.35 mm模塊放大后，輸出能量達到300 mJ，SBS飽和反射率達94%，該封閉型SBS在200 Hz重頻下工作無任何光學擊穿現(xiàn)象。同時，SBS二次級聯(lián)脈寬壓縮拖尾現(xiàn)象嚴重，由于SBS池長受限所致，為了能獲得更短的脈寬壓縮，將進一步通過減小MOPA放大激光器脈寬實現(xiàn)百pS級的SBS脈寬壓縮。

3.3 SBS振蕩放大脈寬壓縮實驗

如圖5所示，采用振蕩放大雙池結(jié)構(gòu)開展SBS脈寬壓縮實驗，首先MOPA放大激光經(jīng)過擴束鏡準直后，經(jīng)過f=1 000 mm長焦透鏡耦合進SBS放大池，然后再經(jīng)過f=400 mm的聚焦鏡耦合進SBS產(chǎn)生池。為獲得百ps級的脈寬壓縮，采用脈沖寬度為～4 ns的種子源，經(jīng)過MOPA放大后輸出能量可達到100 mJ，為避免百ps級脈寬對雙程放大側(cè)泵模塊的光學損傷，將SBS注入能量控制在30 mJ以下。

圖5 SBS振蕩放大雙池結(jié)構(gòu)光路示意圖 Fig.5 Schematic diagram of SBS oscillation amplification double cell structure

如圖6所示，當SBS注入能量達30 mJ時，采用上升時間47 ps、帶寬8 GHz的示波器(DP070804C)測量Stokes光脈寬，脈沖寬度從～4 ns壓縮到376 ps，但脈沖尾部略有調(diào)制，這是由于SBS產(chǎn)生池長度不夠長，SBS最佳池長應為泵浦光脈沖寬度一半時的光程長，而泵浦光脈寬為4 ns，其對應的最佳SBS相互作用長度為600 mm，SBS池長只有500 mm，因此，當后向傳輸?shù)腟tokes光隨著聲波光柵移出SBS池的時候，剩余的泵浦光再次產(chǎn)生SBS效應，從而使得脈沖尾部產(chǎn)生調(diào)制。

圖6 SBS振蕩放大雙池脈寬壓縮波形圖 Fig.6 Pulse waveform diagram of SBS oscillation amplification double cell pulse width compression

SBS脈寬壓縮波形不僅與泵浦光脈寬、SBS池長有關(guān)，而且與泵浦光強、SBS閾值起始時刻密切相關(guān)，如圖7所示，在不同注入能量下，SBS產(chǎn)生池產(chǎn)生的Stokes光脈沖波形，從實驗結(jié)果可以看出，當泵浦光能量在SBS閾值附近時，SBS起始時刻靠近脈沖尖峰位置，由于SBS閾值效應，Stokes光上升沿陡峭，但當Stokes光移出SBS池窗口位置時(即紅色點位置)，剩余的泵浦光只被聲波光柵反射而沒有脈寬壓縮效應，因此Stokes光未被壓窄部分的脈沖包絡呈高斯型。隨著泵浦光能量增加，SBS閾值起始時刻逐漸移向泵浦光脈沖前沿底部，Stokes光上升沿光強則變得更強，而Stokes光脈沖下降沿逐漸有凸起，這也是造成SBS振蕩放大雙池結(jié)構(gòu)Stokes光脈沖尾部調(diào)制的原因。

圖7 不同泵浦能量下SBS脈寬壓縮的Stokes光波形圖 Fig.7 Stokes light waveforms of SBS pulse width compression under different pumping energy

當SBS注入能量30 mJ，經(jīng)過兩個Φ6.35 mm模塊雙程放大后，Stokes輸出能量達到50 mJ，而且SBS在脈寬壓縮的同時，利用相位共軛特性對光束畸變進行補償，使得光束質(zhì)量明顯得到改善。如圖8所示，當MOPA放大光束經(jīng)過Φ6.35 mm單程放大后，光束產(chǎn)生畸變，光強產(chǎn)生調(diào)制，而經(jīng)過SBS雙程放大后，由于SBS的空間濾波效應，消除了高階畸變，獲得了勻滑的高斯光強分布，利用該封閉型SBS相位共軛鏡在200 Hz重復頻率下運行，無光學擊穿現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文設計搭建了高重復頻率工作的SBS脈寬壓縮激光器。利用封閉型SBS相位共軛鏡作為脈寬壓縮裝置，開展了200 Hz重頻SBS二次級聯(lián)脈寬壓縮和振蕩放大雙池結(jié)構(gòu)脈寬壓縮實驗。在SBS二次級聯(lián)脈寬壓縮實驗中，實現(xiàn)了脈沖寬度從～32 ns壓縮到脈沖主峰1.9 ns，脈寬壓縮倍率達16倍；而在振蕩放大雙池結(jié)構(gòu)脈寬壓縮實驗中，實現(xiàn)了脈沖寬度從～4 ns壓縮到376 ps，脈寬壓縮倍率達10倍，Stokes光輸出能量約50 mJ，SBS相位共軛鏡無任何光學擊穿現(xiàn)象發(fā)生。實驗結(jié)果表明，本文所采用的封閉型SBS相位共軛鏡，完全可以適用于高重復頻率的SBS脈寬壓縮，而采用SBS振蕩放大雙池結(jié)構(gòu)可以將脈寬壓縮至數(shù)百皮秒，且具有更好的承載能力，下一步將開展更高平均功率的SBS脈寬壓縮實驗。