1 河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院

2 山東省烯烴催化與聚合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 河北工業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院

近些年來，短脈沖激光由于其時(shí)間分辨率高、脈沖峰值功率高、光譜范圍廣等特性，在材料加工、激光雷達(dá)、激光醫(yī)療等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。目前產(chǎn)生短脈沖激光的主要方式為調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)。調(diào)Q技術(shù)通常用作產(chǎn)生納秒級(jí)激光，通過短腔法可以實(shí)現(xiàn)亞納秒短脈沖激光產(chǎn)生，但受限于諧振腔的長度無法獲得更短脈沖。另外一種方法是鎖模技術(shù)，可以產(chǎn)生皮秒到飛秒量級(jí)的激光，但是由于鎖模器件損傷閾值的限制，產(chǎn)生脈沖的能量僅限于nJ~μJ量級(jí)。

通過調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生和放大納秒級(jí)激光長脈沖，再通過脈寬壓縮技術(shù)將其壓縮到皮秒量級(jí)，這條技術(shù)路線能夠有效地規(guī)避器件損傷對激光能量的限制，高效地產(chǎn)生大能量短脈沖激光。目前，基于非線性光學(xué)原理的脈寬壓縮技術(shù)主要有受激布里淵散射（SBS）脈寬壓縮和受激拉曼散射（SRS）脈寬壓縮。

受激布里淵散射脈寬壓縮因具備高轉(zhuǎn)換效率和高壓縮比成為獲得高能量、亞納秒量級(jí)脈沖的重要手段，但現(xiàn)有SBS增益介質(zhì)的聲子壽命僅在百皮秒量級(jí)，使得通過SBS脈寬壓縮獲得最短的輸出脈沖也被限制在百皮秒量級(jí)。

與受激布里淵散射脈寬壓縮相比，受激拉曼散射脈寬壓縮具有更短的聲子壽命，能夠突破百皮秒量級(jí)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)皮秒甚至飛秒脈沖的獲取。此外，大頻移的特點(diǎn)使其在特殊波段的超短脈沖激光產(chǎn)生方面也有著重要應(yīng)用。

1962年，Eckhardt等首次發(fā)現(xiàn)受激拉曼散射現(xiàn)象，隨后1968年國際商業(yè)機(jī)器公司的Culver等研究了背向拉曼散射的脈寬壓縮特性，在實(shí)驗(yàn)中獲得了300 ps的輸出。1997年俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理所驗(yàn)證了受激拉曼散射在飛秒脈沖獲取方面的能力；1999年日本東京理科大學(xué)探索了受激拉曼散射在高能脈沖獲取方面的應(yīng)用；勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室拓展了拉曼散射在壓縮紫外激光方面的應(yīng)用，驗(yàn)證了SRS應(yīng)用在激光核聚變方面的潛力。

而能夠決定最終輸出脈沖特性的是聲子壽命、增益系數(shù)等介質(zhì)參數(shù)和相互作用長度、聚焦參數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。近些年來的工作很大程度上豐富了拉曼介質(zhì)種類，壓縮結(jié)構(gòu)也獲得長足發(fā)展，使得受激拉曼散射輸出功率高、轉(zhuǎn)換效率高、頻率變換等優(yōu)點(diǎn)更加突出。

氣體介質(zhì)主要包括CH₄、H₂和稀有氣體等。氣體介質(zhì)的純度高，有較高的自聚焦閾值和低散射損耗，但粒子數(shù)密度低，增加氣體壓強(qiáng)的同時(shí)還需要急劇增加光學(xué)相互長度才能達(dá)到有效的拉曼轉(zhuǎn)換，所以氣體的拉曼增益小、非線性競爭強(qiáng)。除此之外，熱導(dǎo)率低以及化學(xué)穩(wěn)定性差等因素也限制著氣體介質(zhì)的應(yīng)用。

相比之下，液體介質(zhì)的粒子數(shù)密度更高，較大的散射截面和拉曼增益系數(shù)也使其容易獲得高壓縮比的脈沖。液體介質(zhì)包括乙醇、水、二硫化碳、苯等。表1整理了部分代表性的拉曼液體介質(zhì)及其性質(zhì)。液體介質(zhì)自聚焦閾值低、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，并且大部分的液體介質(zhì)都有毒性、揮發(fā)性，因此被限制了應(yīng)用范圍。

表1 液體拉曼介質(zhì)及性質(zhì)

1963年，受激拉曼散射效應(yīng)在金剛石等晶體材料中被發(fā)現(xiàn)，但是由于缺乏高質(zhì)量的拉曼晶體，直到20世紀(jì)70年代才獲得了較高的轉(zhuǎn)化效率而投入應(yīng)用。隨著新型拉曼晶體介質(zhì)的不斷涌現(xiàn)和CaCO₃、Ba（NO₃）₂、KGd（WO₄）₂等高增益高負(fù)載拉曼晶體生長技術(shù)的完善，晶體中的SRS壓縮為超短脈沖激光的產(chǎn)生提供了一條更切實(shí)可行的發(fā)展路線。但是，尋找增益更高和損傷閾值更高的晶體材料的工作還有待進(jìn)一步探尋，同時(shí)晶體尺寸小、價(jià)格高昂，且受到光學(xué)擊穿的損失不可恢復(fù)等因素，也限制了晶體介質(zhì)在超高功率激光領(lǐng)域的應(yīng)用。

等離子體機(jī)制中的背向拉曼放大技術(shù)，也最有希望成為進(jìn)一步獲得大能量短脈沖技術(shù)手段。使用等離子體介質(zhì)進(jìn)行拉曼壓縮的主要優(yōu)點(diǎn)是熱損傷閾值小，并且能夠承受非常高的光強(qiáng)而不受損壞。但等離子體介質(zhì)應(yīng)用的局限性在于它的產(chǎn)生和控制非常復(fù)雜，技術(shù)穩(wěn)定性還不夠成熟。

• 聲子壽命

SRS脈寬壓縮基于泵浦光場、Stokes光場和分子振動(dòng)的三波耦合，而聲子壽命代表聲場從不穩(wěn)定振蕩中恢復(fù)所需的時(shí)間，會(huì)對Stokes脈沖和泵浦脈沖的作用時(shí)長造成影響，決定了壓縮脈沖寬度的最低限度。Stokes脈沖寬度與聲子壽命大小呈正相關(guān)，在相同泵浦條件下，較短的聲子壽命能夠使Stokes脈沖的前沿與泵浦脈沖快速耦合，瞬時(shí)增益增大，可見選取短聲子壽命的介質(zhì)更有利于獲得短脈沖。

• 增益系數(shù)

圖1 壓縮脈沖寬度與增益系數(shù)的關(guān)系（左）；能量轉(zhuǎn)化效率與增益系數(shù)的關(guān)系（右）

圖2 單拉曼池壓縮結(jié)構(gòu)

圖3 種子注入式脈寬壓縮結(jié)構(gòu)

• 泵浦脈沖能量

• 泵浦脈沖寬度

• 透鏡焦距

• 池長