光学青年| 基于受激布里渊散射的高功率激光技术

发明光镊技术的Ashkin、发明CPA技术的Mourou和Strickland共同分享了2018年的诺贝尔物理学奖，激光物理学研究者们为此欢欣鼓舞。实际上，自1960年激光发明以来，与激光有关的诺贝尔奖有几十项之多。 CPA技术为强激光技术的发展插上了翅膀，并开启了多个崭新的学科，使强激光成为人类认识世界的强大工具，同时，激光与物质的强相互作用也推动了非线性光学的快速发展。

布里渊散射是一种常见的非线性光学效应，1922年由法国物理学家Louis Marcel Brillouin首次观察到，然而直至激光出现，才为布里渊散射效应的研究提供了有利条件。1964年Chiao等人，利用调Q的红宝石激光，在石英和蓝宝石中观测到了受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）效应。激光技术的发展使受激布里渊散射的研究对象从固体，扩展到气体、液体、等离子体、半导体等各种介质，对SBS的深入认识和应用也丰富了激光技术的研究，二者相辅相成、相得益彰。

与热激发的弹性声波场引起的自发布里渊散射不同，当入射光波达到激光强度的时候，介质中的弹性声波场不再由热运动引起，而是由电致伸缩效应激发的，这种电致伸缩效应产生的声波场是一种相干声波场，它与入射激光耦合而产生SBS的相干辐射，如果入射激光足够强，以致于介质内由电致伸缩效应感应产生的声波场和相应的散射光波场的增益大于它们各自的损耗，则出现介质内感应声波场与布里渊散射光波场的受激放大或振荡。

图1 受激布里渊散射的物理过程和泵浦波、Stokes波、声波的频谱关系

SBS被观测到后，其诸多特性也逐步被发现。1972年，Zel’ Dovich等人发现了SBS的相位共轭特性，由于相位共轭波的时间反演和相位畸变补偿的特点，常把SBS相位共轭镜应用于双程放大的激光系统，补偿激光放大光路中的静态畸变和热畸变，从而获得高质量的激光输出。

我们团队在2010年曾实现了1J/10Hz激光的热畸变补偿，补偿范围可以达到8.6λ，补偿精度为0.2λ。俄罗斯的Kuzmin等人（2014年），将SBS相位共轭镜应用到了220J的玻璃激光系统中，把单次工作的高能激光系统的工作重复频率提升到了0.02Hz。大阪大学的Tsubakimoto等人（2016年）和中科院光电院的樊仲维教授团队（2018年）分别在DPSSL激光系统中利用了SBS相位共轭镜，用于补偿激光放大器的热畸变，成功将激光系统的输出功率提高到了百瓦级的输出水平。

图2 SBS相位共轭镜畸变补偿示意图

SBS脉宽压缩现象最早于1967年由Maier在CS₂中发现，1980年D. T. Hon等人利用YAG激光器，首次研究了SBS脉冲压缩特性，将20ns的调Q激光压缩至2ns输出。脉冲压缩是SBS研究较为活跃的领域，利用SBS脉冲压缩，可以将调Q的大能量纳秒激光压缩至亚纳秒甚至几十皮秒输出，由于SBS具有非常高的能量反射率，利用这种方法可以大大提高激光脉冲的峰值功率，并且SBS在某些介质中的增益带宽只有几十MHz，因此SBS脉冲压缩是实现窄线宽短脉冲激光的有效方法。大阪大学的Yoshida等人开展了大量的SBS活性介质研究，最大单脉冲能量可以达到70J，把Nd:YAG激光的脉冲宽度从13ns压缩到了160ps，能量转化效率超过80%，峰值功率放大了65倍。新墨西哥大学的Diels团队以纯水为介质，开展了高能量的SBS脉冲压缩，输出脉冲能量为1.2 J，脉冲宽度为330ps。我们团队利用紧凑双池结构，将8ns的调Q高斯脉冲激光压缩到了123ps，我们利用超高斯脉冲边频作为自发Stokes种子，提出了非聚焦结构的SBS脉冲压缩，成功将5ns的超高斯脉冲压缩到360ps，脉冲能量达到了3J。

图3 SBS脉冲压缩的基本原理

基于SBS窄增益线宽的特点，SBS激光器成为了理想的相干光源。布里渊激光器最早于1976年由Hill等人在光纤中首次实现，并在有限的光谱测量条件下观察到了Stokes光线宽相对抽运光的窄化现象。随后，人们利用包括光纤在内的波导、微腔和薄片等导波结构获得了线宽低于1Hz量级的布里渊激光，同时结合理论证明了布里渊激光器可获得低噪声且线宽比抽运光窄若干个数量级的激光输出。布里渊激光器的低噪声和窄线宽的特征，使得其在相干光通信、相干雷达以及微波光子学等领域有着重要的应用前景，尤其随着近年来导波结构制备工艺的提高，布里渊激光器及器件引起了人们更为广泛的关注。

值得一提的是，2018年耶鲁大学的Rakich课题组首次在硅波导中实现了布里渊激光输出（A silicon Brillouin laser. Science, 2018, 360, 1113–1116），该突破性成果为未来实现集成硅光子电路提供了可能。此外，为了克服基于以往导波结构的布里渊激光器输出功率较低的问题，2018年澳大利亚麦考瑞大学Mildren课题组首次在金刚石中获得了自由空间运转的布里渊激光，该发现有望为今后的空间光相干通信以及引力波测量提供高功率且具有极高相干性的光源。

图4 悬浮波导的硅布里渊激光器

SBS的本质是种子信号光在介质中被不断放大的过程，如果我们可以人为构造出用于布里渊放大的Stokes种子，就能够避免噪声起源的自激发SBS在时间同步上的不稳定，从而可以在大型激光装置中开展SBS的应用。

2007年，罗彻斯特大学的Betti等人提出了一种新的ICF驱动方式—冲击点火，该点火方案要求在主激光脉冲的最后阶段，叠加一个超高峰值功率的百皮秒激光脉冲，峰值功率为百TW左右，激光脉冲能量为数百KJ。这种高能高峰值功率的百皮秒激光脉冲对于现在的激光放大技术是一个重大挑战。MOPA放大技术的困难在于：百皮秒的脉冲宽度太短，激光放大效率很低，并且，百皮秒激光脉冲高峰值功率的高B积分值，使得输出功率受限；CPA放大技术的困难在于：百皮秒激光脉冲的啁啾量不足以获取有效的脉冲展宽和压缩，在激光的末级，目前的技术也无法加工高能高功率损伤阈值的大口径光栅。

为此，我们团队提出了一种主动型的布里渊放大方法，在光纤前端中，利用光子技术获取一个相对于长脉冲（抽运光）有一个下频移的Stokes短脉冲（信号光），双脉冲形成一个脉冲串在激光放大链路中进行激光放大，在激光系统的末端，利用高效的布里渊放大技术，将长脉冲的能量高效的转移至短脉冲，从而实现大能量的百皮秒激光输出。

我们在神光III原型装置上开展了百皮秒激光脉冲的主动型SBS放大实验，在激光装置的光纤前端中，利用光纤布喇格光栅实现了抽运光和Stokes种子光的主动频移调节，针对实验中使用的重氟碳介质，频移量为1 GHz（1053 nm，2.7 pm）左右。抽运光和种子光构成的脉冲串在激光放大器中放大后进行倍频（为了隔离背向散射光，保护前级光学器件），基于我们提出的高效非共线布里渊放大构型，得到了200ps激光脉冲平均接近17倍的功率放大增益，放大后的200ps Stokes信号光脉宽被进一步压缩，最短实现了120ps的输出，脉冲功率密度接近7GW/cm²。

图5 神光III原型装置中的SBS百皮秒激光放大实验

我们通过百皮秒激光放大可以看到SBS在短脉冲激光放大方面效果显著，更进一步，除了CPA和OPCPA之外，基于SBS也可以实现高能的飞秒激光放大，甚至被认为是PW装置之后，实现更高功率输出的备选激光放大方案。

由于不存在损伤的问题，高峰值功率的超短脉冲SBS放大，采用等离子体作为介质，在等离子体中，SBS过程是通过等离子体当中的离子波建立起来的。相比于传统液体、固体和气体增益介质，等离子体由于已经完全电离，其损伤阈值大幅提升。并且，由于离子波的特性，等离子体中作为布里渊介质能够提供更宽的增益带宽，因此可以被用来放大皮秒甚至更窄的飞秒脉冲。

2013年，Weber和Mourou教授等人在Physical Review Letters上报道了他们的实验结果，利用脉宽为13 fs、强度为10¹⁷ W/cm²的脉冲作为种子光，脉宽为5ps、强度为10¹⁶ W/cm²的脉冲作为抽运光，放大后得到了脉宽为8fs，功率密度为1.5*10¹⁸ W/cm²的飞秒脉冲，放大后，由于离子波的作用，其频谱增宽，使得放大后的Stokes脉宽进一步压窄。

图6 高能的SBS飞秒激光放大

美国劳伦斯利弗莫尔（LLNL）实验室的研究人员先后在NIF装置上进行了多次基于等离子体中SBS的短脉冲放大工作，研究中发现，入射角度较小的激光注入到黑腔中，其由SBS所产生的Stokes散射光可以以等离子体作为介质，抽取更大入射角度激光的能量。

与相位控制相对容易的光纤激光和半导体激光相比，固体脉冲激光的相位控制几乎是不可能实现的，因此，利用SBS实现大能量固体脉冲激光的组束是一种重要的方法，我们团队早在2002年就提出了基于SBS的串行激光组束方法，并针对组束效率、时域特性、紧凑的组束结构等开展了系列的研究，在重氟碳介质中实现了两束、四束的激光组束，组束效率达到了70%以上。

LLNL的研究人员在间接驱动的激光聚变实验中观察到，许多光束在靶腔内的等离子体中交叉重叠，可以通过SBS过程进行光束间的能量交叉转移。基于此种现象，LLNL的Kirkwood等人2017年在Nature Physics上发表了他们在等离子体中的非共线激光组束工作，得到了单束4kJ的能量输出，是抽运光束的三倍以上，功率放大率在两倍以上。

图7 NIF装置中的等离子体激光组束

该实验基于NIF装置，等离子体合束器的设计利用C₅H₁₂填充一个腔体，将NIF装置的40路351nm光束照射该腔体产生一个长7mm半径2mm的等离子体。实验中，种子光沿着等离子体的轴向传输，以避免其发生逆轫致辐射吸收以及自聚焦成丝等现象。8束抽运光以相近的角度（14.7°）与种子光相交，以保证抽运光、离子声波以及种子光之间的相互作用。种子光与抽运光是共线传输的。实验前，Stokes种子光进行了3.0 到 3.5Å的下频移条件以实现抽运光与Stokes光的频率匹配。种子光与抽运光的相互作用长度为3.6mm。注入的种子光为0.75kJ，抽运光能量为 1.54 kJ。在14.7°的相互作用角度下，得到了放大后2.4kJ的激光脉冲，增大相互作用角度为20.7°，得到了4.2kJ的能量输出。基于目前的实验结果，计划未来结合起多达61束NIF的主光路，合成脉冲波长为351nm单光束，预期可产生单脉冲能量在120 kJ以上的单个光束。

多年来，我们深耕于受激布里渊散射领域的研究，从单纯的SBS基本原理和特性的基础研究，到SBS在高功率激光系统中的应用研究。从中可以发现，SBS技术可以作为激光技术发展的有益补充，在实现高功率高性能激光输出方面发挥重要的作用。

王雨雷，河北工业大学教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者。主要从事高功率激光技术和非线性光学技术及应用研究。在Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等杂志上发表SCI收录论文70余篇；获得授权国家发明专利15项；作为课题负责人主持国家863高技术、国家自然科学基金面上项目和青年基金、教育部博士点基金、博士后特别资助等十余项科研项目，作为课题副组长主持863高技术重点项目、国家自然科学基金重点项目、国家重大专项等项目5项。2011年获得总装备部“十一五”科技攻关先进个人称号，2013年获得黑龙江省科学技术奖励（自然类）一等奖1项，2017年获得军队科技进步一等奖1项。

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