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介质FC-770受激布里渊散射脉冲压缩Stokes线宽特性研究(特邀)

廉玉东 胡祺 解璐洋 靳鹏 杜奋娇 王雨雷 吕志伟

廉玉东, 胡祺, 解璐洋, 靳鹏, 杜奋娇, 王雨雷, 吕志伟. 介质FC-770受激布里渊散射脉冲压缩Stokes线宽特性研究(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230402. doi: 10.3788/IRLA20230402
引用本文: 廉玉东, 胡祺, 解璐洋, 靳鹏, 杜奋娇, 王雨雷, 吕志伟. 介质FC-770受激布里渊散射脉冲压缩Stokes线宽特性研究(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230402. doi: 10.3788/IRLA20230402
Lian Yudong, Hu Qi, Xie Luyang, Jin Peng, Du Fenjiao, Wang Yulei, Lv Zhiwei. Research on the Stokes linewidth characteristics of the pulse compression by stimulated Brillouin scattering in medium FC-770 (invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(8): 20230402. doi: 10.3788/IRLA20230402
Citation: Lian Yudong, Hu Qi, Xie Luyang, Jin Peng, Du Fenjiao, Wang Yulei, Lv Zhiwei. Research on the Stokes linewidth characteristics of the pulse compression by stimulated Brillouin scattering in medium FC-770 (invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(8): 20230402. doi: 10.3788/IRLA20230402

介质FC-770受激布里渊散射脉冲压缩Stokes线宽特性研究(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20230402
基金项目: 国家自然科学基金项目(61905062, 61927815);中国博士后科学基金项目(2020M670613);河北省博士后择优资助项目(B2020003026)
详细信息
    作者简介:

    廉玉东,男,副教授,博士,主要从事高功率全固态激光器及非线性光学方面的研究

  • 中图分类号: TN249

Research on the Stokes linewidth characteristics of the pulse compression by stimulated Brillouin scattering in medium FC-770 (invited)

Funds: National Natural Science Foundation of China (61905062, 61927815); China Postdoctoral Science Foundation (2020M670613); Hebei Postdoctoral Scholarship Project (B2020003026)
  • 摘要: 布里渊散射是指入射到介质的泵浦光束与介质内的弹性声波声子发生相互作用而产生的三阶非线性光散射现象。在受激布里渊散射(SBS)脉冲压缩过程中,时域脉宽压缩研究较为广泛,但压缩过程中频域线宽变化与介质粘度、折射率等特性密切相关,因此文中研究聚焦单池结构下SBS脉冲压缩过程中介质FC-770产生的Stokes线宽变化影响因素,发现随着泵浦能量的增加,Stokes线宽先迅速增加后逐渐压窄至400 MHz左右,而随着产生池前透镜焦距的逐渐减小,Stokes线宽迅速压窄,且随能量变化线宽变化范围减小,最后探究了入射激光线宽对Stokes线宽变化的影响因素,得出介质FC-770产生的Stokes线宽值与入射激光线宽呈正比例关系,入射激光线宽值由280 MHz变化到450 MHz左右时,输出的Stokes线宽值由500 MHz变化到680 MHz左右。
  • 图  1  SBS脉冲压缩实验装置

    Figure  1.  SBS pulse compression experimental setup

    图  2  CBP采集的干涉圆环图

    Figure  2.  Interference circles captured using CBP

    图  3  光谱散点图

    Figure  3.  Spectral scatter plot

    图  4  非线性拟合结果

    Figure  4.  Non-linear fit results

    图  5  Stokes线宽和能量反射率随泵浦能量的变化

    Figure  5.  Variation of Stokes linewidth and energy reflectivity with pumping energy

    图  6  Stokes线宽随透镜焦距的变化

    Figure  6.  Variation of Stokes linewidth with the focal length of the lens

    图  7  两级SBS脉冲压缩实验装置

    Figure  7.  Two-stage SBS pulse compression experimental setup

    图  8  Stokes线宽随入射线宽值的变化

    Figure  8.  Variation of Stokes linewidth with the value of incident linewidth

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-05
  • 修回日期:  2023-05-25
  • 刊出日期:  2023-08-28

介质FC-770受激布里渊散射脉冲压缩Stokes线宽特性研究(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20230402
    作者简介:

    廉玉东,男,副教授,博士,主要从事高功率全固态激光器及非线性光学方面的研究

基金项目:  国家自然科学基金项目(61905062, 61927815);中国博士后科学基金项目(2020M670613);河北省博士后择优资助项目(B2020003026)
  • 中图分类号: TN249

摘要: 布里渊散射是指入射到介质的泵浦光束与介质内的弹性声波声子发生相互作用而产生的三阶非线性光散射现象。在受激布里渊散射(SBS)脉冲压缩过程中,时域脉宽压缩研究较为广泛,但压缩过程中频域线宽变化与介质粘度、折射率等特性密切相关,因此文中研究聚焦单池结构下SBS脉冲压缩过程中介质FC-770产生的Stokes线宽变化影响因素,发现随着泵浦能量的增加,Stokes线宽先迅速增加后逐渐压窄至400 MHz左右,而随着产生池前透镜焦距的逐渐减小,Stokes线宽迅速压窄,且随能量变化线宽变化范围减小,最后探究了入射激光线宽对Stokes线宽变化的影响因素,得出介质FC-770产生的Stokes线宽值与入射激光线宽呈正比例关系,入射激光线宽值由280 MHz变化到450 MHz左右时,输出的Stokes线宽值由500 MHz变化到680 MHz左右。

English Abstract

    • SBS技术由于其能量转化效率高、布里渊频移较小和相位共轭等优点引起人们广泛的关注[1-3]。目前,受激布里渊散射技术已应用于布里渊光谱[4-7]、脉宽压缩[8]、光束整形[9]等领域。其中布里渊频移和线宽是布里渊光谱中描述介质特性的两个重要参数,布里渊频移和线宽已成功应用于区分介质种类、浓度和温度等特性信息[10-12]。SBS脉宽压缩技术大多关注于时域脉宽的变化情况[13-14],对频域线宽变化特性涉及较少[15-16],但频域线宽特性与介质粘度、温度、折射率密切相关,因此探究SBS压缩过程中的线宽变化规律对于研究介质特性是必要的。

      文中研究了SBS脉冲压缩过程中介质FC-770产生的Stokes线宽变化影响因素。由于SBS应用过程中激光重复频率较低,因此实验选用法布里-珀罗(Fabry-Pérot, F-P)标准具结合光束质量分析仪(COMS beam profilers, CBP)法来准确测量低重复频率下的Stokes线宽变化,最终探究了聚集单池结构下SBS脉冲压缩过程中线宽值变化,并通过二级SBS压缩结构进行输入线宽控制,整体分析了SBS脉冲压缩过程泵浦能量、透镜聚焦参数、输入线宽对Stokes线宽变化的影响规律,对研究介质特性具有重要意义。

    • 在SBS过程中,Stokes频率分量可由分布噪声起源模型[17]推导得出:

      $$ s\left(w\right)=\frac{8\pi \hslash {w}_{s}\left(\overline{n}+1\right)}{ncA{\varGamma }}\left\{{\rm{exp}}\left[\dfrac{G{\left({{\varGamma }}/{2}\right)}^{2}}{{w}^{2}+{\left({{\varGamma }}/{2}\right)}^{2}}\right]-1\right\} $$ (1)

      可得出增益系数$ G $较高时,Stokes线宽为[17]

      $$ \begin{array}{c}\Delta w=\varGamma {\left(\dfrac{\ln 2}{G-\ln 2}\right)}^{{1}/{2}}\end{array} $$ (2)

      式中:$ \varGamma $为布里渊线宽;$ G=gIl $,$ g $为介质布里渊增益系数,$ I $为泵浦光强度,$ l $为泵浦光与Stokes光相互作用长度。

      当增益系数较小时,SBS阈值附近Stokes线宽输出为[18]

      $$ \begin{array}{c}\Delta w={\left[\dfrac{G{{\varGamma }}^{2}}{\mathrm{ln}\left({{{\rm{e}}}^{G}+1}\right)/{2}}-{{\varGamma }}^{2}\right]}^{{1}/{2}}\end{array} $$ (3)

      由公式可看出,在脉冲压缩过程中,Stokes线宽与布里渊线宽$ \varGamma $紧密相关[19-20],布里渊线宽表达式为:

      $$ \begin{array}{c}\varGamma =1/\left(\pi \times \tau \right)\end{array} $$ (4)

      其中,介质声子寿命为:

      $$\tau =\dfrac{{\lambda }^{2}}{16{\pi }^{2}{n}^{2}\eta } $$ (5)

      式中:$ n $为介质折射率;$ \eta $为介质运动粘度。由此可以看出,当入射光波长一定时,声子寿命与介质的折射率和运动粘度成反比例关系。

    • 介质FC-770由于其具有较好的时域SBS压缩特性,因此探究其脉冲压缩过程中的Stokes线宽变化具有重要意义。实验装置如图1所示。图中,P为偏振片,HWP为二分之一波片,R为旋光器,QWP为四分之一波片,L为透镜,M为反射镜,PBS为偏振立方晶体,CBP为光束质量分析仪。泵浦激光器为1064 nm脉冲激光器,脉冲宽度为7.4 ns,重复频率在1~10 Hz范围内可调,输出能量由激光能量计探头(OPHIRPE50BB-DIF-C)和表头(OPHIR NOVA II)测量。激光器单纵模率通过示波器时域输出波形和频域频率分布来确定,经过示波器1000次记录,单纵模率测量结果为99%左右。激光器输出线宽在250 MHz左右。由于SBS具有较强的返回光,因此偏振片P1、P2、半波片HWP2和旋光器R1共同组成空间光隔离装置以保护泵浦光源。HWP1和P1控制进入SBS产生池的泵浦能量,产生池设置为1000 mm,产生池前放置聚焦透镜L1。当泵浦光功率密度大于SBS产生阈值后,后向散射光光强快速增长,经半波片HWP3、偏振立方晶体PBS和四分之一波片QWP2共同控制进入F-P标准具的Stokes光能量,由CBP采集得到介质产生的Stokes干涉圆环。

      图  1  SBS脉冲压缩实验装置

      Figure 1.  SBS pulse compression experimental setup

    • 当泵浦能量为15 mJ,L1透镜焦距为500 mm时,由CBP采集得到介质FC-770产生的Stokes干涉圆环如图2所示。

      图  2  CBP采集的干涉圆环图

      Figure 2.  Interference circles captured using CBP

      通过霍夫变换精确识别干涉圆环圆心以提取过圆心的一组像元的灰度值来表征激光干涉谱线,图3为干涉圆环经过处理后得到的干涉散点图。

      图  3  光谱散点图

      Figure 3.  Spectral scatter plot

      由于F-P标准具自身透射光谱的存在,干涉线宽值与激光本征线宽值之间存在一定误差,通过非线性拟合消除仪器误差可得到Stokes本征线宽值,线宽拟合结果为553 MHz,结果如图4所示。

      图  4  非线性拟合结果

      Figure 4.  Non-linear fit results

      在SBS脉冲压缩过程中,泵浦能量、透镜焦距、输入激光线宽都是Stokes线宽输出的重要影响因素。在输入线宽固定时,产生池前透镜焦距设置为500 mm,通过改变泵浦能量对SBS压缩过程中Stokes光线宽变化进行了研究,实验结果如图5所示。可以看出,随着泵浦能量的增加,能量反射率呈现先快速增加,随着泵浦能量的进一步增大,泵浦光与Stokes光耦合作用的增强并不明显,在能量反射率达到60%后,能量反射率增长逐渐缓慢。在泵浦能量增大的过程中,可以看到Stokes线宽先迅速增大,后逐渐减小,这是由于泵浦能量开始增大时增益系数较小,焦点功率密度迅速上升,导致线宽急剧展宽,此时泵浦能量为10 mJ时,Stokes线宽值达到580 MHz左右。当泵浦能量进一步增加时,增益系数逐渐增大,随着焦点处能量密度的增加,Stokes线宽逐渐压窄,当泵浦能量为35 mJ时,Stokes线宽可压窄至400 MHz左右,随着泵浦能量的增大,Stokes线宽压窄效果趋势减小,这可以解释为Stokes脉冲随着泵浦能量的增加提取效率逐渐趋于饱和,线宽变化趋势减缓。

      图  5  Stokes线宽和能量反射率随泵浦能量的变化

      Figure 5.  Variation of Stokes linewidth and energy reflectivity with pumping energy

      在SBS压缩过程中,除了泵浦光能量直接影响焦点处的功率密度,透镜聚焦参数也是重要影响因素。图6显示了不同焦距、不同能量下介质FC-770产生的Stokes线宽变化情况。由实验结果可以得出随着透镜焦距的减小,Stokes输出线宽变窄,且随着能量的增加,可以看到Stokes线宽压窄效果并不明显。当泵浦能量为30 mJ,透镜焦距为150 mm时,Stokes线宽可压窄至300 MHz左右,当焦距为300 mm时Stokes线宽值为325 MHz左右,透镜焦距为500 mm时Stokes线宽值为430 MHz左右,这是由于随着透镜焦距的增加,焦点处的能量密度减小,但透镜焦距的增加使泵浦光与反向传输的Stokes光有效相互作用长度增加,Stokes脉冲可有效提取泵浦光能量,使得相互作用过程中,增益系数较大,Stokes线宽迅速增加。

      图  6  Stokes线宽随透镜焦距的变化

      Figure 6.  Variation of Stokes linewidth with the focal length of the lens

      当泵浦能量和透镜焦距一定时,该实验采取紧凑双池脉冲压缩结构来控制入射到产生池的激光线宽,实验装置如图7所示。实验采取紧凑双池控制线宽变化是因为紧凑双池结构在SBS压缩过程中输出时域脉冲波形尾部调制现象并不明显,排除时域脉冲波形样貌对线宽造成影响,且紧凑双池结构能量转换效率更高。设置此时入射到第二级产生池的能量为13 mJ左右,产生池透镜L2焦距设置为500 mm。

      图  7  两级SBS脉冲压缩实验装置

      Figure 7.  Two-stage SBS pulse compression experimental setup

      通过改变入射到第二级产生池的线宽值,对SBS压缩过程中介质FC-770产生的Stokes光线宽变化进行了研究,实验结果如图8所示。由实验结果可以看出,入射到第二级产生池的线宽值由280 MHz变化到450 MHz左右时,输出的Stokes线宽值由500 MHz变化到680 MHz左右。随着入射到第二级产生池的线宽值逐渐增加,输出的Stokes线宽值逐渐增加,整体呈正相关趋势,但入射线宽值较大时,Stokes线宽值增大趋势减缓。

      图  8  Stokes线宽随入射线宽值的变化

      Figure 8.  Variation of Stokes linewidth with the value of incident linewidth

    • 综上所述,文中探究了介质FC-770在SBS脉冲压缩过程中Stokes线宽变化的影响因素,发现Stokes输出线宽变化随着泵浦功率密度的增加呈现先增加后迅速压窄的趋势。随着产生池前透镜焦距的减小,Stokes线宽变窄,且当透镜焦距较小时,Stokes线宽变化受泵浦能量影响效果减弱。通过二级压缩控制输入激光线宽,随着入射线宽值的增加,Stokes输出线宽逐渐展宽。由于以往的SBS压缩工作对频域线宽的变化涉及较少,但SBS压缩过程中线宽值变化具有特定规律,且频域线宽变化包含了丰富的介质特性信息,因此研究SBS压缩过程中Stokes线宽变化对于介质特性研究具有重要意义。

参考文献 (20)

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