聚焦泵浦条件下固体介质中受激布里渊散射过程的数值研究

在非线性光学耦合波方程组中加入聚焦项,使之能够描述聚焦泵浦条件下的受激布里渊散射过程（SBS）。利用改进的SBS方程组,模拟了聚焦泵浦条件下熔石英玻璃棒中的SBS过程,给出了SBS反射率与泵浦激光能量的依赖关系,发现散射光脉冲中存在“聚焦刺”,并通过分析SBS诱导产生的应力场的特征对布里渊介质的安全性进行了评估,理论分析的结果与Yoshida等人的实验结果一致。     

不同材料的受激布里渊散射特性

 采用波长为1.064, 0.532 μm的聚焦高斯光束作为泵浦光,数值求解受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）放大器型耦合波方程组,比较K9玻璃、熔石英、BK7玻璃、CaF₂的SBS特征参数。研究发现：对于相同的激光参数,不同的介质具有不同的SBS特征,声子寿命长则破坏阈值低,破坏效果明显。SBS过程对CaF₂的破坏效果较明显,导致了介质前表面的破坏,在一定的激光参数和聚焦参数下,焦点附近优先于前表面破坏。SBS过程可以得到脉宽压缩比大于10、强度比泵浦光峰值高5倍以上的Stokes散射光脉冲。相同激光参数下,不同材料压缩效果及散射光相位共轭保真度不同,CaF₂在低泵浦能量时脉宽压缩特性较好;高泵浦能量时,相位共轭保真度较好。固体透明光学材料中可获得大于95%的能量提取效率。     

利用受激布里渊散射获得皮秒激光脉冲

 采用两级布里渊结构压缩8ns的Nd：YAG激光，研究了基频光和倍频光的受激布里渊散射（SBS）压缩过程。实验中采用四氯化碳作为SBS介质，经第一级双池SBS压缩后，获得了1.5ns左右的Stokes 脉冲；第二级采用单池SBS压缩，分别使用基频光和倍频光作为泵浦光，获得了最短为60ps 的Stokes脉冲。实验证明，在一定条件下，利用SBS压缩脉宽可以获得比介质的声子寿命更短的脉冲。     

宽带KrF激光泵浦SBS的研究

 理论和实验研究了宽带（15GHz）KrF激光泵浦的受激布里渊散射（SBS）在SF₆介质中的转换效率和脉宽压缩比的规律。介质在1.6MPa、透镜焦距为15cm和30cm时，测得SBS最大反射率分别为40%和45%，当泵浦能量大于60mJ时SBS反射率开始趋于平坦；介质在0.85MPa、透镜焦距在30cm时，SBS脉宽压缩比随泵浦能量的上升而下降，最大压缩比为5。建立了宽带多模KrF激光泵浦的SBS理论模型，假设宽带KrF激光光谱谱线由若干窄带谱线组成，这些窄带谱线之间在产生SBS过程中有一定程度的耦合。给出了理论模型结果，并与实验结果进行了比较。     

独立双池受激布里渊散射系统中能量转换效率的研究

利用瞬态包含泵浦抽空的SBS理论模型对独立双池受激布里渊散射系统进行数值模拟，给出了能量转换效率随泵浦功率密度的变化规律。实验验证，理论值与实验结果相吻合。     

熔石英相位共轭镜无损工作状态分析

基于非线性光学耦合波方程组建立了聚焦泵浦条件下熔石英玻璃材料中SBS过程的物理模型并编制了相应的数值求解程序,研究了SBS介质内激光场的时空发展特征,从而试图揭示SBS介质的内在破坏机制并寻求相应的加固措施.通过数值模拟程序研究了焦点处激光功率密度以及SBS反射率与激光能量的依赖关系,发现SBS对介质内的激光场具有"限幅"作用,即在注入能量大幅度提升的情况下,内部的激光场强度只有较小的增加,这种机制使大能量的固体介质PCM成为可能.分析激光脉宽以及耦合透镜焦距等参数对SBS过程的影响发现,精细选择系统参数,在熔石英玻璃材料中有可能无损伤地实现高效的SBS过程.     

抽运光参数对受激布里渊散射的影响

受激布里渊散射（SBS）系统中,具有一定带宽的抽运激光中会含有一定比例的Stokes散射光成分，此Stokes散射光成分经SBS介质后表面反射后，将形成种子光与抽运光联合入射，构成自种子光式SBS放大器.通过数值求解此SBS放大器型耦合波方程组，探讨了抽运光脉冲中所含Stokes散射光成分的比例、抽运激光波长、抽运光能量大小、入射的聚焦高斯光脉冲脉宽、相互作用时间等激光参数对SBS特征参数（Stokes散射光脉冲波形、材料内部最大应力的时间演化及空间分布、脉宽压缩效果、能量提取效率及Stokes散射光的共轭保真度）的影响.同时发现，SBS过程中产生的超声应力不仅会对SBS介质前表面造成破坏，还可能对焦点附近造成破坏；调整各激光参数还会使焦点附近优于前表面先破坏.数值模拟中采用的抽运光是聚焦高斯光束. 关键词： 受激布里渊散射 斯托克斯散射光 冲击应力 能量反射率     

基于SBS效应激光波长对光学材料损伤的影响

从耦合波理论出发,采用纵向受激布里渊散射(SBS)模型,通过时域有限差分法数值求解了瞬态SBS耦合波方程组,得到了泵浦光、Stokes光强度及声波产生应力随时间的分布;研究了在三种常见波长激光(基频、倍频和三倍频)作用下SBS效应的发展过程及其对光学材料损伤过程的影响。结果表明:种子光作用主要体现在SBS起振阶段,一旦进入稳态阶段,Stokes光强及应力发展的最大值、稳态值依赖于泵浦光的大小;在相同脉冲宽度下,激光波长越短,SBS发生越早,发展越快,更易造成光学元件的力学损伤;三倍频激光产生最大应力为基频光产生最大应力的100倍,且相比于倍频激光,产生最大应力的时刻要提前15ns。     

基于SBS效应激光波长对光学材料损伤的影响

从耦合波理论出发,采用纵向受激布里渊散射(SBS)模型,通过时域有限差分法数值求解了瞬态SBS耦合波方程组,得到了泵浦光、Stokes光强度及声波产生应力随时间的分布;研究了在三种常见波长激光（基频、倍频和三倍频）作用下SBS效应的发展过程及其对光学材料损伤过程的影响。结果表明：种子光作用主要体现在SBS起振阶段,一旦进入稳态阶段,Stokes光强及应力发展的最大值、稳态值依赖于泵浦光的大小;在相同脉冲宽度下,激光波长越短,SBS发生越早,发展越快,更易造成光学元件的力学损伤;三倍频激光产生最大应力为基频光产生最大应力的100倍,且相比于倍频激光,产生最大应力的时刻要提前15 ns。     

宽带KrF激光泵浦SBS的研究

理论和实验研究了宽带（15GHz）KrF激光泵浦的受激布里渊散射（SBS）在SF6介质中的转换效率和脉宽压缩比的规律。介质在1.6MPa、透镜焦距为15cm和30cm时,测得SBS最大反射率分别为40%和45%,当泵浦能量大于60mJ时SBS反射率开始趋于平坦;介质在0.85MPa、透镜焦距在30cm时,SBS脉宽压缩比随泵浦能量的上升而下降,最大压缩比为5。建立了宽带多模KrF激光泵浦的SBS理论模型,假设宽带KrF激光光谱谱线由若干窄带谱线组成,这些窄带谱线之间在产生SBS过程中有一定程度的耦合。给出了理论模型结果,并与实验结果进行了比较。     

后向受激布里渊散射诱导的光学材料破坏机理研究

区别于传统的受激布里渊散射(SBS)发生器和放大器,提出了一种新型的SBS模型：自供种子光模型 (self Stokes seeding,SSS)。数值求解了SBS耦合波方程组,得到了SBS诱导应力的时空分布。基于SSS建立了高功率激光辐照下光学材料破坏阈值的计算模型,研究了SBS破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度的关系。研究发现,SBS作为一种破坏机制,表现为前表面破坏,且破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度均成反比。     

后向受激布里渊散射诱导的光学材料破坏机理研究

 区别于传统的受激布里渊散射(SBS)发生器和放大器，提出了一种新型的SBS模型：自供种子光模型 (self Stokes seeding，SSS)。数值求解了SBS耦合波方程组，得到了SBS诱导应力的时空分布。基于SSS建立了高功率激光辐照下光学材料破坏阈值的计算模型，研究了SBS破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度的关系。研究发现，SBS作为一种破坏机制，表现为前表面破坏，且破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度均成反比。     

基于SBS光限幅和金属酞菁光限幅相结合的复合型光限幅器的研究

为了使受激布里渊散射(SBS)光限幅器的输出能量更"平",提出了一种基于SBS光限幅和金属酞菁光限幅相结合的复合型光限幅器的方案,即SBS光限幅后边放置金属酞菁光限幅,在两种光限幅器的共同限幅作用下,使复合型光限幅器的输出光能量更"平". 数值模拟了该复合型光限幅器的输出光能量随入射光强度的变化曲线,并在Countinuum's Nd: YAG种子注入式激光器中进行了实验验证. 理论和实验结果均表明,复合型光限幅器的输出光能量比单独SBS光限幅器更"平". 关键词： 复合型光限幅器 SBS光限幅 金属酞菁限幅     

双谐激光场作用下SBS过程诱导的光学材料破坏

提出了光学 力学相干耦合的概念,采用非线性光学的耦合波理论,建立了高功率激光辐照下透明光学材料中相干声波的产生、演化的动力学模型。探讨了在泵浦激光场和Stokes激光场共同作用下受激布里渊过程对光学材料破坏的可能性,计算了稳态情况下激光场在材料内部激发出的应力幅度,结合弹性力学,建立了透明光学材料的相干破坏阈值理论,研究了破坏阈值与Stokes光强的关系,发现在稳态下破坏阈值对Stokes光强并不敏感。分析了在实际情况下一些因素对材料破坏的影响。     

双谐激光场作用下SBS过程诱导的光学材料破坏

 提出了光学 力学相干耦合的概念，采用非线性光学的耦合波理论，建立了高功率激光辐照下透明光学材料中相干声波的产生、演化的动力学模型。探讨了在泵浦激光场和Stokes激光场共同作用下受激布里渊过程对光学材料破坏的可能性，计算了稳态情况下激光场在材料内部激发出的应力幅度，结合弹性力学，建立了透明光学材料的相干破坏阈值理论，研究了破坏阈值与Stokes光强的关系，发现在稳态下破坏阈值对Stokes光强并不敏感。分析了在实际情况下一些因素对材料破坏的影响。     

Improved output energy characteristic of optical limiting based on double stimulated Brillouin scattering

In order to improve the optical limiting performance based on stimulated Brillouin scattering (SBS), a method based on double SBS is proposed in this paper. The dependence of the output energy of optical limiting based on double SBS on the pump energy is numerically simulated, and experimentally validated with an Nd:YAG seed-injected laser. The results indicate that only the first SBS optical limiting works in the case of low pump energy. However, as the pump energy increases, the second SBS process can be activated if the transmitted power of the first SBS is still above the SBS threshold. Therefore, the output energy characteristic of optical limiting based on double SBS is much better than that based on single SBS. Owing to the sub-nanosecond response time and a high power threshold, the SBS optical limiting can provide protection in high power laser systems.     

SBS相位共轭补偿现象的实验研究与图示化分析

通过实验观察了受激布里渊散射相位共轭波前补偿现象,分析了单横模激光、波前弱畸变及强畸变激光受激布里渊散射现象的差异.由于工作介质中强烈的热畸变所引起的波前破碎效应,高功率固体激光器的输出光束一般都不是理想的高斯型单横模,而是具有弱畸变或强畸变波前结构的光束,其包含多个子光束.只有总能量足够大的激光束被聚焦到布里渊介质中时,其包含的所有子光束才能各自按单横模受激布里渊散射规律产生后向散射光,再合并而实现完全的相位共轭波前反转,否则就只能实现部分相位共轭波前反转,即部分相位共轭补偿.     

光学透明材料中瞬态SBS过程的数值研究

建立了描述噪声起振和Stokes种子光辅助起振的SBS（受激布里渊散射）理论模型，利用变步长有限差分方法数值求解了一维瞬态后向SBS耦合波方程组，得到了抽运光和散射光光强以及介质密度变化量的时空分布；研究了Stokes激光场对SBS反射率以及发生阈值的影响，发现Stokes种子光的存在大大减短了SBS过程的起振时间，并且在抽运光脉冲宽度固定的情况下使SBS的发生阈值大幅度降低；最后，探讨了瞬态受激布里渊过程对光学材料破坏的可能性并对今后的工作进行了展望. 关键词： 光学透明材料 受激布里渊散射 斯托克斯种子光 反射率