1 河北工業(ye) 大學電子信息工程學院

2 山東(dong) 省烯烴催化與(yu) 聚合重點實驗室

3 河北工業(ye) 大學科學技術研究院

近些年來，短脈衝(chong) 激光由於(yu) 其時間分辨率高、脈衝(chong) 峰值功率高、光譜範圍廣等特性，在材料加工、激光雷達、激光醫療等領域有著重要應用。目前產(chan) 生短脈衝(chong) 激光的主要方式為(wei) 調Q技術和鎖模技術。調Q技術通常用作產(chan) 生納秒級激光，通過短腔法可以實現亞(ya) 納秒短脈衝(chong) 激光產(chan) 生，但受限於(yu) 諧振腔的長度無法獲得更短脈衝(chong) 。另外一種方法是鎖模技術，可以產(chan) 生皮秒到飛秒量級的激光，但是由於(yu) 鎖模器件損傷(shang) 閾值的限製，產(chan) 生脈衝(chong) 的能量僅(jin) 限於(yu) nJ~μJ量級。

通過調Q技術產(chan) 生和放大納秒級激光長脈衝(chong) ，再通過脈寬壓縮技術將其壓縮到皮秒量級，這條技術路線能夠有效地規避器件損傷(shang) 對激光能量的限製，高效地產(chan) 生大能量短脈衝(chong) 激光。目前，基於(yu) 非線性光學原理的脈寬壓縮技術主要有受激布裏淵散射（SBS）脈寬壓縮和受激拉曼散射（SRS）脈寬壓縮。

受激布裏淵散射脈寬壓縮因具備高轉換效率和高壓縮比成為(wei) 獲得高能量、亞(ya) 納秒量級脈衝(chong) 的重要手段，但現有SBS增益介質的聲子壽命僅(jin) 在百皮秒量級，使得通過SBS脈寬壓縮獲得最短的輸出脈衝(chong) 也被限製在百皮秒量級。

與(yu) 受激布裏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進一步實現皮秒甚至飛秒脈衝(chong) 的獲取。此外，大頻移的特點使其在特殊波段的超短脈衝(chong) 激光產(chan) 生方麵也有著重要應用。

1962年，Eckhardt等首次發現受激拉曼散射現象，隨後1968年國際商業(ye) 機器公司的Culver等研究了背向拉曼散射的脈寬壓縮特性，在實驗中獲得了300 ps的輸出。1997年俄羅斯科學院列別捷夫物理所驗證了受激拉曼散射在飛秒脈衝(chong) 獲取方麵的能力；1999年日本東(dong) 京理科大學探索了受激拉曼散射在高能脈衝(chong) 獲取方麵的應用；勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室拓展了拉曼散射在壓縮紫外激光方麵的應用，驗證了SRS應用在激光核聚變方麵的潛力。

而能夠決(jue) 定最終輸出脈衝(chong) 特性的是聲子壽命、增益係數等介質參數和相互作用長度、聚焦參數等結構參數。近些年來的工作很大程度上豐(feng) 富了拉曼介質種類，壓縮結構也獲得長足發展，使得受激拉曼散射輸出功率高、轉換效率高、頻率變換等優(you) 點更加突出。

氣體(ti) 介質主要包括CH₄、H₂和稀有氣體(ti) 等。氣體(ti) 介質的純度高，有較高的自聚焦閾值和低散射損耗，但粒子數密度低，增加氣體(ti) 壓強的同時還需要急劇增加光學相互長度才能達到有效的拉曼轉換，所以氣體(ti) 的拉曼增益小、非線性競爭(zheng) 強。除此之外，熱導率低以及化學穩定性差等因素也限製著氣體(ti) 介質的應用。

相比之下，液體(ti) 介質的粒子數密度更高，較大的散射截麵和拉曼增益係數也使其容易獲得高壓縮比的脈衝(chong) 。液體(ti) 介質包括乙醇、水、二硫化碳、苯等。表1整理了部分代表性的拉曼液體(ti) 介質及其性質。液體(ti) 介質自聚焦閾值低、化學性質不穩定，並且大部分的液體(ti) 介質都有毒性、揮發性，因此被限製了應用範圍。

表1 液體(ti) 拉曼介質及性質

1963年，受激拉曼散射效應在金剛石等晶體(ti) 材料中被發現，但是由於(yu) 缺乏高質量的拉曼晶體(ti) ，直到20世紀70年代才獲得了較高的轉化效率而投入應用。隨著新型拉曼晶體(ti) 介質的不斷湧現和CaCO₃、Ba（NO₃）₂、KGd（WO₄）₂等高增益高負載拉曼晶體(ti) 生長技術的完善，晶體(ti) 中的SRS壓縮為(wei) 超短脈衝(chong) 激光的產(chan) 生提供了一條更切實可行的發展路線。但是，尋找增益更高和損傷(shang) 閾值更高的晶體(ti) 材料的工作還有待進一步探尋，同時晶體(ti) 尺寸小、價(jia) 格高昂，且受到光學擊穿的損失不可恢複等因素，也限製了晶體(ti) 介質在超高功率激光領域的應用。

等離子體(ti) 機製中的背向拉曼放大技術，也最有希望成為(wei) 進一步獲得大能量短脈衝(chong) 技術手段。使用等離子體(ti) 介質進行拉曼壓縮的主要優(you) 點是熱損傷(shang) 閾值小，並且能夠承受非常高的光強而不受損壞。但等離子體(ti) 介質應用的局限性在於(yu) 它的產(chan) 生和控製非常複雜，技術穩定性還不夠成熟。

• 聲子壽命

SRS脈寬壓縮基於(yu) 泵浦光場、Stokes光場和分子振動的三波耦合，而聲子壽命代表聲場從(cong) 不穩定振蕩中恢複所需的時間，會(hui) 對Stokes脈衝(chong) 和泵浦脈衝(chong) 的作用時長造成影響，決(jue) 定了壓縮脈衝(chong) 寬度的最低限度。Stokes脈衝(chong) 寬度與(yu) 聲子壽命大小呈正相關(guan) ，在相同泵浦條件下，較短的聲子壽命能夠使Stokes脈衝(chong) 的前沿與(yu) 泵浦脈衝(chong) 快速耦合，瞬時增益增大，可見選取短聲子壽命的介質更有利於(yu) 獲得短脈衝(chong) 。

• 增益係數

圖1 壓縮脈衝(chong) 寬度與(yu) 增益係數的關(guan) 係（左）；能量轉化效率與(yu) 增益係數的關(guan) 係（右）

圖2 單拉曼池壓縮結構

圖3 種子注入式脈寬壓縮結構

• 泵浦脈衝能量

• 泵浦脈衝寬度

• 透鏡焦距

• 池長