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摘 要：受激布里渊散射（SBS）相位共轭技术在激光器中的应用广泛，在改善激光器的光束质量、压缩激光器脉宽和控制波形等方面都有显著的作用。本文综述并分析了（SBS）相位共轭镜（PCM）的研究现状及应用，为该领域的后续研究工作提供了有益的参考。
关键词：SBS PCM 激光器
中图分类号：O437 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0088-02
Abstract： Stimulated Brillouin scattering （SBS） phase conjugation technology is widely used in lasers. It plays an important role in improving the laser beam quality， compressing the pulse width and controlling the waveform of the laser. In this paper， the research status and application of （SBS） phase conjugation mirror （PCM） are reviewed and analyzed， which provides a useful reference for further research in this field.
Key Words： SBS； PCM； Laser
从20世纪70年代起，开始对非线性光学相位共轭技术进行理论和实验方面的研究。研究表明，在许多领域，非线性光学相位共轭技术有着很大的应用前景，比如：传输图像、激光技术以及光学信号处理、超低噪声探测等领域。SBS 相位共轭镜（Phase Conjugating Mirror-PCM）的特点是结构简单、在强泵浦下具有高饱和能量转换效率，并且具有高的相位共轭保真度和高的反射率。所以，基于这些特点，SBS相位共轭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都有着重要的应用。
1 SBS相位共轭镜的应用及研究现状
1.1 SBS压缩激光脉宽及脉冲整形
受激布里渊散射脉冲压缩技术，具有较高的能量提取效率和脉冲压缩比，利用纳秒级长脉冲易于产生、放大，能量提取充分等优点，可以在激光放大链路中获得高能量的脉冲输出，然后在输出端利用SBS脉冲压缩特性对长脉冲压缩至皮秒量级，从而获取高能量的短脉冲高功率激光输出。目前利用SBS脉冲压缩技术基本上可以将脉冲压缩至皮秒量级，但是要获得200ps以下的高能量超短脉冲仍受诸多限制，而且存在装置过于复杂、稳定性不高、脉冲压缩率及能量转化效率低等缺点。
SBS池一般为两种通用结构，分别为单池结构和双池结构。
（1）单池结构：利用焦距较长的平凸镜将激光脉冲聚焦到装有SBS介质的密闭容器中。
（2）双池结构：分为SBS产生池和放大池两部分，在产生池前将激光用一短聚焦镜进行聚焦，使激光脉冲前沿达到SBS阈值，产生Stokes光导入放大池中被放大，最后使脉宽变窄。此结构与单池结构相比较优点在于能在高能量下工作，能够通过双池的组合控制入射到产生中的能量，使其不会因为能量过大造成自聚焦和光学击穿等现象限制其应用，因此在实验中多数采用双池结构系统。
D.T.Hon等人[1]将Nd：YAG调Q激光器的20ns脉宽压缩到2ns，使用的SBS装置是一个充满甲烷的锥形玻璃管。这是首次利用半经典理论解释SBS脉冲压缩特性，并与实验结果符合的很好。荷兰学者S.Schiemann等人[2]将脉冲能量为300MJ的Nd：YAG倍频激光器的脉宽从5.6ns压缩到270ps，采用的是紧凑雙池的结构，转换效率达75%。V.Kmetik等人将脉冲能量为600MJ，重复频率为10Hz的闪光灯泵浦调QNd：YAG激光器的10ns脉宽压缩带870ps，采用的是单池结构，最终输出能量为570MJ。
Chenyong Feng等人[3]采用独立双池脉冲压缩方案获得了焦耳级的斯托克斯脉冲输出。Nd：YAG激光器通过出射3.5J，脉宽12ns的532nm激光脉冲。经凹凸透镜共同构建的扩束系统后，增加到直径32mm。激光脉冲被分成两束，其中120MJ入射进入单池结构产生90MJ，325ps的种子脉冲。通过非线性介质池系统后，布里渊放大输出300ps脉冲，能量达到了1.2J。
哈尔滨工业大学王超等人[4]使用CCL4作为SBS介质， Nd：YAG激光器作为泵浦脉冲，波长1064nm时，入射光约 8ns脉冲宽度压缩至1.5ns左右，波长532nm时，脉宽压缩至 60ps。
1.2 SBS改善高能激光光束质量
大多数高功率激光器都采用MOPA结构，MOPA结构的振荡级可以采用高光束质量的种子源，但在放大部分由于使用的泵浦光输出功率高，系统整体的光束质量会下降。SBS 相位共轭镜可以对包括光学元器件不均匀性、变形、热效应等造成的波前畸变进行校正，改善激光的相干性，从根本上解决高能激光器输出功率和光束质量之间的矛盾。
日本的H.Kiriyama等人[5-7]报道的应用基于FC-75液体介质的SBS—PCM的MOPA激光系统成功实现重复频率 1kHz、平均功率360W的激光输出，其中主振荡器为一个LD双端泵浦的Nd：YAG单频环形腔激光器。日本I.Daito等人[8]使用能量为1.6J，脉宽为8ns的激光器作为泵浦，通过双池结构进行脉冲压缩。SBS介质选用FC-40重氟碳介质，最终实现～200ps脉冲输出，光束质量因子M2=2.1～2.3，能量转化效率达到80%左右。
哈尔滨工业大学王雨雷等人[9]提出了一种独立双池结构，使用CCl4作为SBS介质，输出能量13J时86%能量处的发散角是0.35mrad。 浙江大學小组对固体SBS—PCM进行了系统的研究，分别研究了普通多模光纤SBS—PCM[10]、锥度光纤SBS—PCM[11]以及光纤—熔石英棒复合结构SBS—PCM[12]，并在整个过程中逐步提升器件在高重复频率下的反射率性能。
2 SBS相位共轭技术存在的问题及发展趋势
在早期的带SBS—PCM的MOPA激光系统中，大都采用液体和气体材料作SBS介质，但是在实际使用时，气体介质需要施加高压获得高增益，液体介质需要进行超高纯度提纯来防止光学击穿，且并没有达到“全固态”。所以，寻找新型SBS介质，以及新型的相位共轭镜，建立起高效、结构紧凑、安全，操作起来又十分方便的相位共轭系统，将是研究的重要方向。
参考文献
[1] D. T. Hon.Pulse Compression by Stimulated Brillouin Scattering[J].Opt.Lett，1980，5（12）：516-518.
[2] S.Schiemann W.Ubachs，W.Hogervorst.Efficient temporal compres-sion of coherent nanosecond pulses in acompact SBS generator-amplificer setup[J].IEEE J Quantum Electronics，2002，33（3）：358-366.
[3] Feng C Y，Xu X Z，Diels J C.Generation of 300 ps Laser Pulse with 1.2 JEnergy by Stimulated Brillouin Scattering in Water at 532nm[J].Opt.Lett，2014，39（12）：3367-3370.
[4] 王超，吕志伟，何伟明.利用两级受激布里渊散射获得皮秒激光脉冲[J].中国激光，2004，31（suppl）：188-190.
[5] H.Kiriyama，K.Yamakawa.Development of high-repetition-rate LD pumped Nd：YAG laser and its applieation[J].Laser Phys，2006，16（4）：666-672.
[6] H.Kiriyama，K.Yamakawa，T.Nagai，et al.360-W average power operation with a single-stage diode-pumped Nd：YAG amplifier at a 1kHz repetition rate[J].Opt Lett，2003，28（18）：1671-1673.
[7] H.Kiriyama，K.Yamakawa，N.Kageyama，et al.Design and operation of high-energy and high-average-power diode-pumped single Nd：YAG amplifier with stimulated-brillouion-seattering phase c onjugate mirror[J].Japanese Journal of Applied Physies，2005，44（10）：7464-7471.
[8] Daito I，Kando M，Kotaki H，et al.High Flux Laser-Compton Scattered Gamma-Ray Source by Compressed Nd：YAG Pulse[J].Proceedings of IPAC，2012（8）：4124-4126.
[9] WangYu-Lei，LǜZhi-Wei，HeWei-Ming. Investigation on a high energy stimulated Brillouin scattering phase-conjugate mirror[J].Acta Phys.Sin.，2007，56（2）：883-887.
[10]周涛，陈军，唐淳，等.LD抽运高重复频率四通放大MOPA系统中的光纤相位共扼研究[J].中国激光，2004，31（4）：441-444.
[11]周涛，陈军，唐淳，等.主振荡功率放大激光器中锥度光纤相位共扼镜的实验研究[J].中国激光，2005，32（4）：471-474.
[12]汪莎，陈军，童立新，等.熔石英棒和光纤构成的新型复合型相位共扼镜[J].中国激光，2007，34（9）：1212-1216.
关键词：SBS PCM 激光器
中图分类号：O437 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0088-02
Abstract： Stimulated Brillouin scattering （SBS） phase conjugation technology is widely used in lasers. It plays an important role in improving the laser beam quality， compressing the pulse width and controlling the waveform of the laser. In this paper， the research status and application of （SBS） phase conjugation mirror （PCM） are reviewed and analyzed， which provides a useful reference for further research in this field.
Key Words： SBS； PCM； Laser
从20世纪70年代起，开始对非线性光学相位共轭技术进行理论和实验方面的研究。研究表明，在许多领域，非线性光学相位共轭技术有着很大的应用前景，比如：传输图像、激光技术以及光学信号处理、超低噪声探测等领域。SBS 相位共轭镜（Phase Conjugating Mirror-PCM）的特点是结构简单、在强泵浦下具有高饱和能量转换效率，并且具有高的相位共轭保真度和高的反射率。所以，基于这些特点，SBS相位共轭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都有着重要的应用。
1 SBS相位共轭镜的应用及研究现状
1.1 SBS压缩激光脉宽及脉冲整形
受激布里渊散射脉冲压缩技术，具有较高的能量提取效率和脉冲压缩比，利用纳秒级长脉冲易于产生、放大，能量提取充分等优点，可以在激光放大链路中获得高能量的脉冲输出，然后在输出端利用SBS脉冲压缩特性对长脉冲压缩至皮秒量级，从而获取高能量的短脉冲高功率激光输出。目前利用SBS脉冲压缩技术基本上可以将脉冲压缩至皮秒量级，但是要获得200ps以下的高能量超短脉冲仍受诸多限制，而且存在装置过于复杂、稳定性不高、脉冲压缩率及能量转化效率低等缺点。
SBS池一般为两种通用结构，分别为单池结构和双池结构。
（1）单池结构：利用焦距较长的平凸镜将激光脉冲聚焦到装有SBS介质的密闭容器中。
（2）双池结构：分为SBS产生池和放大池两部分，在产生池前将激光用一短聚焦镜进行聚焦，使激光脉冲前沿达到SBS阈值，产生Stokes光导入放大池中被放大，最后使脉宽变窄。此结构与单池结构相比较优点在于能在高能量下工作，能够通过双池的组合控制入射到产生中的能量，使其不会因为能量过大造成自聚焦和光学击穿等现象限制其应用，因此在实验中多数采用双池结构系统。
D.T.Hon等人[1]将Nd：YAG调Q激光器的20ns脉宽压缩到2ns，使用的SBS装置是一个充满甲烷的锥形玻璃管。这是首次利用半经典理论解释SBS脉冲压缩特性，并与实验结果符合的很好。荷兰学者S.Schiemann等人[2]将脉冲能量为300MJ的Nd：YAG倍频激光器的脉宽从5.6ns压缩到270ps，采用的是紧凑雙池的结构，转换效率达75%。V.Kmetik等人将脉冲能量为600MJ，重复频率为10Hz的闪光灯泵浦调QNd：YAG激光器的10ns脉宽压缩带870ps，采用的是单池结构，最终输出能量为570MJ。
Chenyong Feng等人[3]采用独立双池脉冲压缩方案获得了焦耳级的斯托克斯脉冲输出。Nd：YAG激光器通过出射3.5J，脉宽12ns的532nm激光脉冲。经凹凸透镜共同构建的扩束系统后，增加到直径32mm。激光脉冲被分成两束，其中120MJ入射进入单池结构产生90MJ，325ps的种子脉冲。通过非线性介质池系统后，布里渊放大输出300ps脉冲，能量达到了1.2J。
哈尔滨工业大学王超等人[4]使用CCL4作为SBS介质， Nd：YAG激光器作为泵浦脉冲，波长1064nm时，入射光约 8ns脉冲宽度压缩至1.5ns左右，波长532nm时，脉宽压缩至 60ps。
1.2 SBS改善高能激光光束质量
大多数高功率激光器都采用MOPA结构，MOPA结构的振荡级可以采用高光束质量的种子源，但在放大部分由于使用的泵浦光输出功率高，系统整体的光束质量会下降。SBS 相位共轭镜可以对包括光学元器件不均匀性、变形、热效应等造成的波前畸变进行校正，改善激光的相干性，从根本上解决高能激光器输出功率和光束质量之间的矛盾。
日本的H.Kiriyama等人[5-7]报道的应用基于FC-75液体介质的SBS—PCM的MOPA激光系统成功实现重复频率 1kHz、平均功率360W的激光输出，其中主振荡器为一个LD双端泵浦的Nd：YAG单频环形腔激光器。日本I.Daito等人[8]使用能量为1.6J，脉宽为8ns的激光器作为泵浦，通过双池结构进行脉冲压缩。SBS介质选用FC-40重氟碳介质，最终实现～200ps脉冲输出，光束质量因子M2=2.1～2.3，能量转化效率达到80%左右。
哈尔滨工业大学王雨雷等人[9]提出了一种独立双池结构，使用CCl4作为SBS介质，输出能量13J时86%能量处的发散角是0.35mrad。 浙江大學小组对固体SBS—PCM进行了系统的研究，分别研究了普通多模光纤SBS—PCM[10]、锥度光纤SBS—PCM[11]以及光纤—熔石英棒复合结构SBS—PCM[12]，并在整个过程中逐步提升器件在高重复频率下的反射率性能。
2 SBS相位共轭技术存在的问题及发展趋势
在早期的带SBS—PCM的MOPA激光系统中，大都采用液体和气体材料作SBS介质，但是在实际使用时，气体介质需要施加高压获得高增益，液体介质需要进行超高纯度提纯来防止光学击穿，且并没有达到“全固态”。所以，寻找新型SBS介质，以及新型的相位共轭镜，建立起高效、结构紧凑、安全，操作起来又十分方便的相位共轭系统，将是研究的重要方向。
参考文献
[1] D. T. Hon.Pulse Compression by Stimulated Brillouin Scattering[J].Opt.Lett，1980，5（12）：516-518.
[2] S.Schiemann W.Ubachs，W.Hogervorst.Efficient temporal compres-sion of coherent nanosecond pulses in acompact SBS generator-amplificer setup[J].IEEE J Quantum Electronics，2002，33（3）：358-366.
[3] Feng C Y，Xu X Z，Diels J C.Generation of 300 ps Laser Pulse with 1.2 JEnergy by Stimulated Brillouin Scattering in Water at 532nm[J].Opt.Lett，2014，39（12）：3367-3370.
[4] 王超，吕志伟，何伟明.利用两级受激布里渊散射获得皮秒激光脉冲[J].中国激光，2004，31（suppl）：188-190.
[5] H.Kiriyama，K.Yamakawa.Development of high-repetition-rate LD pumped Nd：YAG laser and its applieation[J].Laser Phys，2006，16（4）：666-672.
[6] H.Kiriyama，K.Yamakawa，T.Nagai，et al.360-W average power operation with a single-stage diode-pumped Nd：YAG amplifier at a 1kHz repetition rate[J].Opt Lett，2003，28（18）：1671-1673.
[7] H.Kiriyama，K.Yamakawa，N.Kageyama，et al.Design and operation of high-energy and high-average-power diode-pumped single Nd：YAG amplifier with stimulated-brillouion-seattering phase c onjugate mirror[J].Japanese Journal of Applied Physies，2005，44（10）：7464-7471.
[8] Daito I，Kando M，Kotaki H，et al.High Flux Laser-Compton Scattered Gamma-Ray Source by Compressed Nd：YAG Pulse[J].Proceedings of IPAC，2012（8）：4124-4126.
[9] WangYu-Lei，LǜZhi-Wei，HeWei-Ming. Investigation on a high energy stimulated Brillouin scattering phase-conjugate mirror[J].Acta Phys.Sin.，2007，56（2）：883-887.
[10]周涛，陈军，唐淳，等.LD抽运高重复频率四通放大MOPA系统中的光纤相位共扼研究[J].中国激光，2004，31（4）：441-444.
[11]周涛，陈军，唐淳，等.主振荡功率放大激光器中锥度光纤相位共扼镜的实验研究[J].中国激光，2005，32（4）：471-474.
[12]汪莎，陈军，童立新，等.熔石英棒和光纤构成的新型复合型相位共扼镜[J].中国激光，2007，34（9）：1212-1216.