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熔融石英中实现高效率的百毫焦受激布里渊散射

陈彬 白振旭 赵桂娟 王雨雷 吕志伟

陈彬, 白振旭, 赵桂娟, 王雨雷, 吕志伟. 熔融石英中实现高效率的百毫焦受激布里渊散射[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230421. doi: 10.3788/IRLA20230421
引用本文: 陈彬, 白振旭, 赵桂娟, 王雨雷, 吕志伟. 熔融石英中实现高效率的百毫焦受激布里渊散射[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230421. doi: 10.3788/IRLA20230421
Chen Bin, Bai Zhenxu, Zhao Guijuan, Wang Yulei, Lu Zhiwei. Generation of high-efficiency hundred-millijoule stimulated Brillouin scattering in fused silica[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(8): 20230421. doi: 10.3788/IRLA20230421
Citation: Chen Bin, Bai Zhenxu, Zhao Guijuan, Wang Yulei, Lu Zhiwei. Generation of high-efficiency hundred-millijoule stimulated Brillouin scattering in fused silica[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(8): 20230421. doi: 10.3788/IRLA20230421

熔融石英中实现高效率的百毫焦受激布里渊散射

doi: 10.3788/IRLA20230421
基金项目: 国家自然科学基金项目 (61927815, 62075056);天津市自然科学基金项目 (20JCZDJC00430, 22JCYBJC01100)
详细信息
    作者简介:

    陈彬,男,博士生,主要从事高功率激光技术与非线性光学方面的研究

    吕志伟,男,教授,博士生导师,博士,主要从事高功率激光技术与非线性光学方面的研究

    通讯作者: 白振旭,男,教授,博士生导师,博士,主要从事高功率激光技术与新型激光器方面的研究
  • 中图分类号: O437.2

Generation of high-efficiency hundred-millijoule stimulated Brillouin scattering in fused silica

Funds: National Natural Science Foundation of China (61927815, 62075056); Natural Science Foundation of Tianjin (20JCZDJC00430, 22JCYBJC01100)
  • 摘要: 固体布里渊增益介质是目前实现高稳定、高重复频率受激布里渊散射(SBS)的重要光学元件,能够产生高光束质量的相位共轭光。然而,不同于被广泛研究的液体布里渊增益介质,目前针对固体布里渊增益介质如何产生高效率高能量的SBS尚无成熟的研究。近日,笔者团队以块状熔融石英作为布里渊增益介质,在高强度纳秒激光脉冲泵浦下,围绕熔融石英中的SBS能量转换效率和损伤阈值与泵浦光纵模的关系开展了研究,实现了最高单脉冲能量183.1 mJ、反射率为81.0%、斜效率高达85.8%的相位共轭光输出。该研究结果对于实现高功率全固态的SBS相位共轭镜,进而提升脉冲激光器的输出功率水平、获得高稳定高效率的SBS运转具有重要的指导意义。
  • 图  1  基于熔融石英的SBS实验装置示意图(P1~P2:偏振片;M1~M2:反射镜;λ/4:四分之一波片;λ/2:半波片;L1~L3:透镜)

    Figure  1.  (a) Diagram of SBS experimental device using fused silica (P1-P2: Polarizer; M1-M2: Mirror; λ/4: Quarter-wave plate; λ/2: Half-wave plate; L1-L3: Lens)

    图  2  (a) SBS反射能量随泵浦能量的变化;(b) 泵浦能量最大时泵浦光和Stokes光波形;(c) 不同能量下的泵浦光及SBS光束轮廓

    Figure  2.  (a) Variation of SBS reflected energy with pump energy; (b) Waveforms of pump and Stokes at maximum pump energy; (c) Pump and SBS beam profiles at different energies

  • [1] Liao Yiliang, Ye Chang, Cheng G J. Areview: Warm laser shock peening and related laser processing technique [J]. Optics & Laser Technology, 2016, 78: 15-24.
    [2] 宋峰, 陈铭军, 陈晅, 赵泽家, 刘鑫, 姚建铨. 激光清洗研究综述(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(02): 28-49.

    Song Feng, Chen Mingjun, Chen Xuan, et al. Review of laser cleaning technology (invited) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(2): 20220835. (in Chinese)
    [3] 廉玉东, 王禹贺, 章雨琴, 韩世伟, 虞洋, 齐萱, 栾楠楠, 白振旭, 王雨雷, 吕志伟. 受激布里渊散射脉冲压缩技术研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33(05): 5-23.

    Lian Yudong, Wang Yuhe, Zhang Yuqin, et al. Research progress of stimulated Brillouin scattering pulse compression technique [J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33(5): 051001. (in Chinese)
    [4] Bai Zhenxu, Yuan Hang, Liu Zhaohong, et al. Stimulated Brillouin scattering materials, experimental design and applications: A review [J]. Optical Materials, 2018, 75: 626-645. doi:  10.1016/j.optmat.2017.10.035
    [5] 白振旭, 陈晖, 丁洁, 齐瑶瑶, 王雨雷, 吕志伟. 基于空间光腔的高功率布里渊频率梳 [J]. 中国激光, 2022, (004): 049.

    Bai Zhenxu, Chen Hui, Ding Jie, et al. High-power brillouin frequency comb based on free-space optical cavity [J]. Chinese Journal of Lasers, 2022, 49(4): 0415001. (in Chinese)
    [6] Chen Bin, Bai Zhenxu, Hun Xuanning, et al. Gain characteristics of stimulated Brillouin scattering in fused silica [J]. Optics Express, 2023, 31(4): 5699-5707. doi:  10.1364/OE.480391
    [7] Yoshida Hidetsugu, Fujita Hisanori, Nakatsuka Masahiro, et al. Fused-quartz glass with low optical quality as a high damage-resistant stimulated Brillouin-scattering phase-conjugation mirror [J]. Optics Communications, 2003, 222(1-6): 01542. doi:  10.1016/S0030-4018(03)01542-6
    [8] Wang Hongli, Cha Seongwoo, Wang Yulei, et al. SBS pulse compression using bulk fused silica by diode-pumped solid-state lasers at 1 kHz repetition rate [J]. Optics & Laser Technology, 2020, 128: 106258.
    [9] 赵桂娟;王雨雷;陈彬;颜秉政;白振旭;吕志伟. LD侧面泵浦被动调Q环形腔单纵模激光器[J]. 光学学报, 2022, 42(19): 125-129.

    Zhao Guijuan, Wang Yulei, Chen Bin, et al. LD side-pumped passively Q-switched ring cavity single-longitudinal-mode laser [J]. Acta Optica Sinica, 2022, 42(19): 125-129. (in Chinese)
  • [1] 郑浩, 赵臣, 张飞, 李鹏飞, 颜秉政, 王雨雷, 白振旭, 吕志伟.  MgO:PPLN中红外光参量振荡器的闲频光纵模特性研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(12): 20230378-1-20230378-6. doi: 10.3788/IRLA20230378
    [2] 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) . 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230402-1-20230402-6. doi: 10.3788/IRLA20230402
    [3] 黄佳裕, 林海枫, 闫培光.  高效率宽调谐扇形MgO: PPLN中红外光参量振荡器 . 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220605-1-20220605-6. doi: 10.3788/IRLA20220605
    [4] 王云哲, 张鲁薇, 邵俊峰, 曲卫东, 康华超, 张引.  脉冲激光对石英基底Ta2O5/SiO2滤光膜的损伤效应研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220482-1-20220482-9. doi: 10.3788/IRLA20220482
    [5] 刘红煦, 王頔, 李晨昂, 魏智, 金光勇, 张艳鹏, 于迪.  长脉冲致硅基 QPD损伤面积及形貌实验研究 . 红外与激光工程, 2021, 50(4): 20200455-1-20200455-7. doi: 10.3788/IRLA20200455
    [6] 王天齐, 康治军, 孟冬冬, 邱基斯, 刘昊.  受激布里渊散射相位共轭镜在高功率纳秒激光器中的应用进展 . 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20211024-1-20211024-12. doi: 10.3788/IRLA20211024
    [7] 盛泉, 司汉英, 张海伟, 张钧翔, 丁宇, 史伟, 姚建铨.  高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析 . 红外与激光工程, 2020, 49(): 1-6.
    [8] 盛泉, 司汉英, 安建民, 张海伟, 张钧翔, 丁宇, 李升才, 史伟, 姚建铨.  高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析 . 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20200009-1-20200009-7. doi: 10.3788/IRLA20200009
    [9] 胡星, 程德江, 郭芷妍, 姜梦华, 惠勇凌, 雷訇, 李强.  914 nm LD泵浦RTP电光调Q的高效率Nd:YVO4激光器 . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 105001-0105001(5). doi: 10.3788/IRLA201948.0105001
    [10] 张颖, 柯熙政, 陈明莎.  受激布里渊散射波前畸变校正仿真实验 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1122001-1122001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1122001
    [11] 李永倩, 安琪, 李晓娟, 张立欣.  增益型受激布里渊相移谱宽范围功率特性 . 红外与激光工程, 2017, 46(1): 106001-0106001(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0106001
    [12] 于梦, 张勇, 靳辰飞, 刘丽萍, 赵远.  利用游标效应提高微波光子学扫描式频率测量效率 . 红外与激光工程, 2016, 45(11): 1117004-1117004(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1117004
    [13] 于军立, 孟庆龙, 叶荣, 钟哲强, 张彬.  飞秒激光作用下光整流晶体的损伤阈值分析 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 106004-0106004(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0106004
    [14] 冯爱新, 庄绪华, 薛伟, 韩振春, 孙铁囤, 陈风国, 钟国旗, 印成, 何叶.  1 064 nm、532 nm、355 nm波长脉冲激光辐照多晶硅损伤特性研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(2): 461-465.
    [15] 黄琳, 王淑梅.  基于瑞利散射和布里渊散射的自调Q双包层掺镱光纤激光器研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(12): 3517-3524.
    [16] 杨利红, 王涛, 韩锦涛, 苏俊宏.  脉冲激光诱导TiO2/SiO2薄膜表面损伤性能实验 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 365-368.
    [17] 詹光达, 马彬, 张艳云, 马宏平.  预处理效应对1 064 nm 反射膜本征损伤性能的影响 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1715-1721.
    [18] 田秀芹, 肖思, 陶少华, 袁战忠, 周炎强.  飞秒超短脉冲激光对硅太阳能电池的损伤阈值研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(3): 676-680.
    [19] 汤伟, 邵俊峰, 赵帅, 王挺峰, 郭劲.  高重频CO2激光对Hg0.826Cd0.174Te晶体的损伤 . 红外与激光工程, 2013, 42(10): 2663-2668.
    [20] 王国松.  受激布里渊散射位相共轭激光器自调Q机理研究 . 红外与激光工程, 2013, 42(6): 1437-1442.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-20
  • 修回日期:  2023-06-20
  • 刊出日期:  2023-08-28

熔融石英中实现高效率的百毫焦受激布里渊散射

doi: 10.3788/IRLA20230421
    作者简介:

    陈彬,男,博士生,主要从事高功率激光技术与非线性光学方面的研究

    吕志伟,男,教授,博士生导师,博士,主要从事高功率激光技术与非线性光学方面的研究

    通讯作者: 白振旭,男,教授,博士生导师,博士,主要从事高功率激光技术与新型激光器方面的研究
基金项目:  国家自然科学基金项目 (61927815, 62075056);天津市自然科学基金项目 (20JCZDJC00430, 22JCYBJC01100)
  • 中图分类号: O437.2

摘要: 固体布里渊增益介质是目前实现高稳定、高重复频率受激布里渊散射(SBS)的重要光学元件,能够产生高光束质量的相位共轭光。然而,不同于被广泛研究的液体布里渊增益介质,目前针对固体布里渊增益介质如何产生高效率高能量的SBS尚无成熟的研究。近日,笔者团队以块状熔融石英作为布里渊增益介质,在高强度纳秒激光脉冲泵浦下,围绕熔融石英中的SBS能量转换效率和损伤阈值与泵浦光纵模的关系开展了研究,实现了最高单脉冲能量183.1 mJ、反射率为81.0%、斜效率高达85.8%的相位共轭光输出。该研究结果对于实现高功率全固态的SBS相位共轭镜,进而提升脉冲激光器的输出功率水平、获得高稳定高效率的SBS运转具有重要的指导意义。

English Abstract

    • 大能量全固态短脉冲激光器由于其优越特性在激光清洗、加工、测距等领域受到广泛关注[1-3]。目前,高强度激光的获取需要采用高功率泵浦源结合多级放大器,但往往伴随而来的是热透镜、热致双折射等效应引起的波前畸变,显著影响产生激光的光束质量,因此如何提高激光输出强度并改善光束质量是需要解决的关键难题[4]。研究表明,基于受激布里渊散射(SBS)的相位共轭镜(PCM)是补偿波前畸变的有效方式,且SBS固有的高增益和小频移特性,使之成为获取高能量转换效率PCM的重要手段[4-5]。虽然液体的SBS已经成熟应用于脉冲压缩及相位共轭等方面,但是为了获得结构紧凑的高稳定性SBS-PCM,固体是具有巨大潜力的SBS介质种类[6]。原因在于固体布里渊增益介质由于高导热率、低吸收系数和方便处理的结构为其在高重复频率激光放大系统中应用提供了机会。目前,在低重复频率运转的单纵模激光泵浦条件下,熔融石英可承受高达2.3 J的入射能量[7];在高重复频率泵浦条件下,已经实现了重复频率1 kHz、泵浦能量50 mJ的SBS稳定运转[8]。但是针对不同泵浦模式下的固体布里渊增益介质的斜率效率尚无报道,这使得人们对多纵模激光器是否能够如单纵模激光器一样通过固体SBS-PCM高效的获得高功率激光输出存有一定的疑问。

      为了探究固体布里渊增益介质在实现大能量窄脉宽激光输出方面的优势和局限,笔者团队近期利用稳定输出单纵模和多纵模的纳秒激光作为泵浦源,对基于熔融石英的SBS产生器进行了实验研究,通过改变泵浦模式和泵浦光强度,研究了不同泵浦纵模模式下的SBS产生阈值、斜率效率、损伤阈值及光束轮廓等输出特性。

      图1所示为SBS实验装置示意图,泵浦源使用环形腔结构,控制标准具的插入来调节输出的纵模数量,输出脉宽为10 ns[9];SBS产生装置中采用熔融石英作为布里渊增益介质,长度为200 mm。利用透镜组L1L2将光斑直径由3.2 mm扩束至5.6 mm,L3焦距为250 mm。如图2(a)所示,单纵模泵浦的SBS阈值为10.1 mJ,受泵浦能量限制,在最大泵浦能量226 mJ时未见损伤,在有限的泵浦能量情况下获得的斜率效率高达85.8%。其中,在能量反射率为15%时获得最窄脉宽5.5 ns。与单纵模泵浦相比,通过多纵模泵浦产生SBS的阈值功率高14%,多纵模泵浦时损伤阈值仅为34 mJ。实验结果证明了多纵模脉冲尖峰是造成SBS过程中光学击穿的关键因素,单纵模泵浦可以有效地避免固体介质的光学击穿。图2(b)展示了泵浦光能量为226 mJ时,泵浦光和产生Stokes光波形,可见其具有很好的波形保真度。图2(c)所示为低能量泵浦条件下产生的SBS光束实现了良好的净化效果,随着能量的增加,SBS光束轮廓逐渐向泵浦轮廓演变,因此理论上存在最佳的能量密度以获得高光束质量的SBS激发。目前,块状固体介质的有限尺寸是制约其内部增益强度进一步提升的关键所在,但通过对增益介质进行串联或设计成折返结构能够有效突破现阶段的能量瓶颈。

      图  1  基于熔融石英的SBS实验装置示意图(P1~P2:偏振片;M1~M2:反射镜;λ/4:四分之一波片;λ/2:半波片;L1~L3:透镜)

      Figure 1.  (a) Diagram of SBS experimental device using fused silica (P1-P2: Polarizer; M1-M2: Mirror; λ/4: Quarter-wave plate; λ/2: Half-wave plate; L1-L3: Lens)

      图  2  (a) SBS反射能量随泵浦能量的变化;(b) 泵浦能量最大时泵浦光和Stokes光波形;(c) 不同能量下的泵浦光及SBS光束轮廓

      Figure 2.  (a) Variation of SBS reflected energy with pump energy; (b) Waveforms of pump and Stokes at maximum pump energy; (c) Pump and SBS beam profiles at different energies

      笔者验证了在熔融石英中获得高效率高能量SBS输出可行性,该研究成果为基于固体布里渊增益介质的SBS的相位共轭光的优化,以及拓展其在脉冲压缩、布里渊放大和光束合成奠定了基础,对实现高功率全固态的SBS激光具有重要的指导意义。

参考文献 (9)

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