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

第50卷第5期

V〇1.50 No.5红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年5月

May 2021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王天齐K2,康治军孟冬冬u,邱基斯刘昊1'2(1.中国科学院空天信息创新研究院，北京1〇〇〇94;2.国家半导体泵浦激光工程技术研究中心，北京100094)摘要：受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS)是一种光学三阶非线性效应，其反射光

具有相位共扼特性，在振幅、相位、偏振方面与入射光呈现时间反演关系，并保持与入射光相同的波

前。在主振荡功率放大（Master Oscillator Power-Amplifier, MOPA)结构的纳秒激光器中，激光放大器

中的热效应及光路中大量的光学元件使传输光束存在严重的波前畸变，在恶化光束质量的同时也限制

了功率进一步提升的可能性。在此类激光器中使用基于受激布里渊散射的相位共扼镜（Stimulated

Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror, SBS-PCM)，使光束往返通过引入严重波前畸变的激光放大

器能够实时补偿畸变，从而优化激光器的输出光束质量，并有利于功率的进一步提升，进而促进纳秒激

光器向着兼顾高功率和高光束质量的方向发展，因此在高功率纳秒激光器中得到广泛应用。文中首先

从理论方面简要介绍了

SBS-PCM的基本原理及其相位共扼特性，其次对比了不同SBS-PCM介质的

特点及适用范围，概述了国内外机构对SBS-PCM的研究进展及高功率纳秒激光器中SBS-PCM的典

型应用情况及发展历程，并最终对SBS-PCM发展趋势进行了展望。关键词：激光器；受激布里渊散射；相位共扼镜；高功率激光

中图分类号：TN248.1

文献标志码：A DOI：

10.3788/IRLA20211024Application progress of the stimulated Brillouin scattering phase

conjugate mirror in high power nanosecond lasersWang Tianqi1'2, Kang Zhijun1,2*, Meng Dongdong12, Qiu Jisi1'2, Liu Hao1-2(1. Aerospace Information Research Institure, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;

2. National Engineering Research Center for DPSSL, Beijing 100094, China)Abstract:

Stimulated Brillouin Scattering (SBS) is a third-order nonlinear optical effect, the reflected beam of

which has the property of phase conjugation. The reflected beam is time inversed on amplitude, phase and

polarization with the incident beam and maintains the same wavefront as the incident light. In the Master

Oscillator Power Amplifier (MOPA) nanosecond laser system, the thermal effect in the laser amplifiers and a

large number of optical elements in the optical path cause serious wavefront distortion of the transmitted beam,

which not only deteriorates the beam quality, but also limits the possibility of further power improvement.

Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror (SBS-PCM) is utilized widely in this kind of laser system

for the fact that using SBS-PCM by making the beam transmit along a round trip in amplifiers which bring in收稿日期:2020-12-21;修订日期:2021 -01 -25基金项目:中国科学院条件保障与财务局短脉冲激光技术团队(GJJSTD20200009)作者简介:王天齐，男，助理研究员，硕士，主要从事固体激光器技术及非线性光学方面的研究。通讯作者:康治军，男，高级工程师，博士，长期从事高功率短脉冲激光与相位共轭光束质量控制技术研究以及空间碎片探测、光电对抗等应

用研究。20211024-1

红外与激光工程第5期第50卷serious

wavefront

distortion

compensates

the

distortion

in

real

time,

therefore

is

capable

of

optimizing

the

beam

quality

and

improving

the

output

power,

so

as

to

promote

the

development

of

nanosecond

laser

system

in

the

direction

of

both

high

power

and

high

beam

quality.

In

this

paper,

the

basic

principle

and

phase

conjugation

characteristics

of

SBS-PCM

were

briefly

introduced

theoretically.

Then

the

characteristics

and

application

scope

of

different

SBS-PCM

media

were

compared.

The

research

progress

by

domestic

and

foreign

institutions

on

SBS-

PCM

and

the

typical

application

and

development

process

of

SBS-PCM

in

high

power

nanosecond

lasers

were

summarized.

Finally,

the

development

trend

of

SBS-PCM

was

words:

lasers;

stimulated

Brillouin

scattering;

phase

conjugate

mirror;

high

power

laser〇引言高功率纳秒激光器在多普勒激光测风雷达m、

空间碎片探测[3<、x射线产生' 汤姆逊散射诊

断 及材料激光加工|M]等领域有着广泛应用，这些应用要求激光器在提升输出功率的同时能够保持良

好的光束质量。为达到提升输出功率的目的，激光器

中需要使用多级放大器及高能泵浦源，然而高能泵浦

源引人的热积累会在晶体中形成热透镜效应和热致

双折射效应，使激光器中传输的光束中存在明显的波

前畸变，进而严重影响激光的光束质量为解决这

一问题，人们提出f使用激光二极管（Laser

Diode,

LD)

泵浦源以降低产热量和使用薄片、板条晶体以加快散

热速率的方法尽管采用了

LD泵浦、改良晶体

构型和高效热管理技术，在高功率激光器中仍存在着

严重的热积累和明显的波前畸变【131特别是对纳秒

激光器而言，由于短脉冲激光对泵浦能fl的提取能力

较弱，未提取的泵浦能M将转化为晶体中的热积累，

导致输出光束质量无法接近衍射极限||(象时发现除瑞利散射外，散射光中还有存在频移的成

分[19]。这一理论在之后的研究工作中得到了验证，人

们将这一发生在活性介质中的声波场对光波场的非

弹性散射现象命名为布里渊散射。在当时还没有激

光器这种高强度光源，布里渊散射现象十分微弱，因

此人们没有十分关注这一现象。直至20世纪60年

代，在激光器问世后，R.

Y.

Chiao等人剛将激光注人

晶体介质中并首次观测到受激布里渊散射现象，开启

了人们对SBS进行详尽研究的篇章。1.1

SBS-PCM的基本原理SBS是在活性介质中的抽运光波、声波与Stokes

散射光波发生三波混频，并将抽运光波的能量向

Stokes散射光波转移的过程M。当功率密度达到SBS

阈值、频率为％的抽运光人射至活性介质中时，由于

电致伸缩效应使介质中产生频率为ws的弹性声波。该声波引起介质密度随时间和空间发生周期性变化，

进而使介质折射率呈现时域和空间上的周期性分

布。这种折射率的周期性分布可以看作一个运动的

声波光栅，对抽运光形成散射，产生频率为％-#的

SBS-PCM结构简单，具有相位共轭特性和能够

改善光束质量的优点[|41,已在丁业、科研等领域得到

广泛应用[|5〜],是一种解决高功率纳秒激光器中光束

质量恶化问题的有效手段[18]。在高功率脉冲激光注

人条件下，SBS-PCM的使用受到光学击穿和热效应

的影响，限制了其在更高功率纳秒激光器中的应用。

文中简要介绍了

SBS-PCM的基本原理，对国内外研

究进展及其在纳秒激光器中的典型应用情况进行了

举例，对比了不同SBS-PCM介质的特性，最终总结

了

SBS-PCM进一步的发展方向。Stokes散射光。在上述过程中，每湮没一个抽运光子

就在介质中产生一个声子和一个Stokes光子，因此

Stokes散射光不断增强，实现抽运光能if向Stokes散

射光的转移。1.2

SBS-PCM的相位共轭特性相位共轭波是指在振幅、相位及偏振态三个方面

互为时间反演的光波，在数学上可表示为将一个算符

作用在光电场上，使其复振幅转变为其复共轭。当一束抽运光人射至SBS-PCM中时，在一维慢

变近似及忽略损耗的条件下，有如下关系式[4dEL(r±,z)dz2k,■^1

SBS-PCM的基本原理及其相位共轭特性布里渊散射（Brillouin

Scattering)的概念源于20

LEL(rL,z) = 0⑴八世纪20年代，L.

Brillouin在研究液体中的光散射现從s(rL，z) /

^ ^

1

—7▽丄•丄，Z) +

oz 2丄，z)£s(r丄，Z)

=

0 (2)20211024-2

红外与激光工程第5期

第 50

卷ks ^kLEs(r±,z) = ^Cw(z)/„(r±,z)

n=0(3)

⑷右传播的光束波前，绿色虚线为反射后向左传播的光束波前。可以看出，图i⑻中i处的波前无畸变，晶

体的不规则表面使2处波前存在畸变，经普通反射镜

反射后在3处形成镜像的波前畸变，再次经过晶体后

在4处产生更明显的波前畸变；而在图1(b)中，SBS-

EL{r^z) = Bf*(r±,z)

Es(r±,z) «

C〇(z)/〇(r±,z) =

^^-(5)E*L{r±1z) (6)DPCM中产生的畸变声波使反射后的光束在3处有与

2处相同的波前畸变，经过晶体后波前被还原，得到

4处的无畸变光束。因此，在激光器的多个放大器之后使用SBS-

式中：£1_(/'±,2)和&(~,2)分别为抽运光场和Stokes散

射光场;匕和^分别为抽运光场和Stokes散射光场的

波矢；汾i,z)为SBS增益；/„(r±,z)为一组正交归一化

函数组；C„(z)和B分别为对£办1,2)和£L(r±，z)进行展

开时的系数。若该抽运光具有一定的波前畸变，在

PCM对光束进行反射使其再次通过放大器，不仅能

够实现双程放大以充分提取放大器的储能，还能够有

效补偿放大器对光束造成的波前畸变以提升光束

质量。Stokes散射光的传播过程中，CQ(z)比其他C„(z)的增速

都大，因此传播一段距离后只剩下系数为C〇(Z)的项。

观察公式(6)能够发现Stokes散射光是抽运光的理想

相位共轭光，该散射光具有与抽运光同样的波前。1.3

SBS-PCM对激光器输出光束质量的提升作用

当一束光强达到SBS阈值且存在一定波前畸变

的光束人射到SBS-PCM中时，将产生与抽运光波前

具有相同畸变的声波，可等效为一变形的反射镜[22],

该反射镜恰好使Stokes散射光的波前与人射光波前

相同，形成人射光的相位共扼光。以一束有理想平面波前的光束往返经过一具有

不规则表面的晶体为例，其波前变化过程如图1所

示，图中数字为波前位置的时间顺序，红色实线为向1 4 Irregular surface crystal 2Plane mirror2高功率纳秒激光器中的SBS-PCM使用SBS-PCM对光束波前畸变进行实时补偿，

能够有效解决纳秒激光器无法同时获得高的输出功

率和良好的光束质量这一矛盾。因此美国、俄罗斯、

法国、德国、日本、中国、澳大利亚和韩国等多个国

家的研究机构陆续开展了大量对SBS-PCM的理论和

实验研究工作。2.1不同SBS-PCM介质的特点及适用范围SBS-PCM介质分为气体、液体和固体三类，其中

气体介质主要有甲烷、稀有气体、^和5?6等[23_25];

液体介质主要有苯、丙酮和FC重氟碳等固体

介质主要有熔融石英玻璃、LAP、DLAP晶体和光纤等[29-31]。气体介质在常压下的SBS增益系数较低，因此通

常需要加压至几十甚至几百个大气压来增加增益系

⑷

1 4 Irregular surface crystal 2uSBS-PCM数、提升能量反射率[32]，但高压气体的击穿阈值较低

且装置安全性差，因此只在早期得到使用并逐渐被液

体和固体介质取代。液体介质具有SBS阈值低、声子寿命短、吸收系

数小、SBS增益系数高和击穿阈值髙等优点而得到广

(b) Sound wave泛使用。苯和丙酮的液体介质有毒、挥发性强、易对

环境造成污染，因此在近几年的研究和应用中已不再

使用上述液体。FC系列全氟碳液体具有良好的化学

稳定性P3],以FC-72和FC-75分子为例，其化学键四

周被氟原子包围，氟原子的范德华半径为0.135

nm,

能够严密包裹碳链，起到良好的保护作用且全氟图1光束往返通过不规则表面晶体过程中的波前变化。（a)被平面

反射镜反射;(b)被SBS-PCM反射

Fig.l Evolution of the wavefront as the beam pass a round trip through

crystal with an irregular surface, (a) Reflected by plane mirror;

(b) Reflected by SBS-PCM20211024-3

红外与激光工程第 5

期

第 50

卷碳液体的光学吸收系数极低，通常为10 5cnT1，吸收

系数越低，对人射光能量的吸收越少，以上两点使以

全氟碳液体为介质的SBS-PCM具有10(M30GW/cm2

的击穿阈值[261,不易发生光学击穿现象，因此适用于

高功率激光器。熔融石英玻璃、K8玻璃和LAP等晶体介质有不

污染环境和利于激光器全固化的优点，且SBS增益系

数高，因此在大能量纳秒激光器中得到了较多应用。但这些晶体的击穿阈值较低，以LAP晶体为例，其击

穿阈值约为20

GW/cm2(@18

ns)且发生击穿后易造成

永久损伤，因此应用十分受限1351。在众多固体介质

中，光纤介质能够实现较长的相互作用距离并有效减

小人射光束截面积，因此适用于千赫兹级重复频率的

高平均功率、低峰值功率激光器中〜1。但现有研究中

的光纤SBS-PCM能fi反射率明显低于液体介质，对

激光器整体输出功率有一定的限制，且光纤端面的损

伤阈值较低[361，通常为2

GW/cm2左右不利于在大

能量、短脉宽激光器中的应用。2.2

SBS-PCM在高功率纳秒激光器中的研究进展

最早使用SBS-PCM进行光束质量优化的是俄罗

斯

Lebedev 物理研究所的

Zel’dovich 和

Popovichev

等人t141。1972年，该团队使用SBS-PCM对红宝石主振荡功率放大（Master

Oscillator

Power-Amplifier,

MO-PA)激光器中的波前畸变进行补偿，使输出光束的发

散角从2.5

mrad降低至0.15

mrad:其实验装置如

图2所示，从振荡器出射的激光经过畸变介质后人射

至SBS-PCM,畸变波前经过反演再次经过畸变介质

并得到有效补偿，因此能够使从振荡器出射的近衍

射极限激光在双程放大后仍保持近衍射极限输出，使

用偏振片和1/4波片进行光隔离和输出，该结构也是

SBS-PCM在MOPA激光器中的典型结构：Outputwaveplate图2 Zel’dovich等人[14]采用的带有SBS-PCM的MOPA光路示意图

Fig.2 Optical layout of MOPA system with SBS-PCM adopted by

Zel’dovich et al[14]带有SBS-PCM的高功率纳秒激光器的主要研究

进展如表1所示，表中激光器输出能量(Output

energy)

和SBS-PCM注人能量（Input

energy)仅针对重复频率

较低的激光器进行列举。表1

SBS-PCM在高功率纳秒激光器中的应用情况

Tab.l

Applications

of

SBS-PCM

in

high

power

nanosecond

lasersProperties of laser system

InstituteYear1993America TRWAmerica LLNLJapan Osaka

University52Germany1997TechnischeUniversitat Berlin2001Australia EOSChina HITChina ZJUChina AOE20172018OutputpowerAV4315800-421 k550Outputenergy/J---25-30------106.6---RepetitionPulserate/Hzduration/ns1002.5 k1006lk501001002k17020 min per

shot1 k2005007207.5142950-90-20201.56.610Beamquality1.1 DL1.1 DL2DL1.25 DL1.2 DL1.5 DL--M2=2.6Properties of SBS-PCMMediumFreon 113-LiquidCC14FC-75FC-75

& FC-72FC-75 & FC-72FiberFiberFC-770CC14FiberFC-770FC-770InputpowerAV30.52---153--220 W150 WInputenergy/J---2.5------>tivity85%>90%98%88%75%98%-50%-95.2%〜60%P7][38]09][40][41][42][43][44][30][45][46][36][3][47]A/2〜 3-M2〜 2.31.7 DLA/2〜2

50%98%92%20211024-4

红外与激光工程第5期第50卷1998年，以色列Soreq原子能研究中心的Jackel等人[48]将以纯度为99.9%的高压甲烷气体为介质的

束扫描，使光束焦点位置在SBS-PCM介质中旋转，以

降低高功率注人光引人的热效应。Phaseconjugator 2/4 plateSBS-PCM使用在高能量钦玻璃激光器中。当甲烷气

体压强达到105 atm时，注人光脉宽为200 ns,最高注

人能量可达5 J，饱和能量反射率为90%。在其研究

中发现，提升介质气体的压强能够降低SBS的能量阈

值并提升能量反射率，但同时会降低气体的击穿能量

阈值，为避免击穿可使用长焦距透镜降低焦点处的能

量密度。2000年，日本大阪大学的Kmetik等人[49]在GEK-

KO-XII激光装置上进行了大能量SBS-PCM实验。

使用FC-75重氟碳液体作为介质，并在超净环境下使用

孔径25 rnn的滤膜对FC-75进行过滤处理，制作了

图3 Pierre等人[38】研制的690 W激光器光路示意图

Fig.3 Optical layout of 690 W laser system developed by Pierre et al[38]1998年，Pierre等人％研制了如图4所示的激光

器，该激光器能够在33

Hz和50

Hz的重复频率下

输出单脉冲能量10

J的激光，对应光束质量分别为

1.25

DL和1.5

DL,在100

Hz重复频率下能够输出平

均功率940

W、光束质量2

DL的激光。其SBS-PCM

能够在50

Hz重复频率下承载100

W的注人光功率，

且能量反射率高达98°/^该激光器是首套输出平均

功率能够达到近千瓦的带有SBS-PCM的高光束质量

激光器。日本大阪大学的Yoshida等人针对液体SBS-

090x2 000 mm的大口径SBS-PCM。实验中最大注人

能量为73 J，饱和能量反射率超过90%且未发生击穿

现象。其研究认为，杂质的加热和热致电离是光学击

穿起始阶段的主要原因，此后大量的热释电子足以导

致介质中的雪崩电离，因此对液体介质进行高效过滤

能够有效提升SBS的击穿阈值。随着激光器技术的发展及应用场景对激光器需

求的提升，高功率纳秒激光器逐渐向高重复频率、高

平均功率和高亮度的方向发展。因此研究人员也逐

步开始将SBS-PCM应用于高重复频率、高平均功率

的纳秒激光器中。20世纪90年代，美国TRW公司

的Pierre等人对带有SBS-PCM的MOPA结构高重

复频率高平均功率纳秒激光器进行了大量研究工

作[27_39'5°]，并获得了很多标志性的成果。1993年，Pierre等人[27i使用LD阵列泵浦Nd3+:

PCM介质的选择开展了大量研究工作，并发现FC-

72和FC-75等重氟碳液体具有很高的光学击穿阈值，Waveplate3rd amplifierImagerelayingtelescope一SBS cellYAG板条晶体的MOPA激光器和SBS-PCM,实现了

单脉冲能量1

J、重复频率100

Hz、平均功率100

W、

光束质量1.1

DL的激光输出。其SBS-PCM采用氟

利昂作为介质，这是世界上首套采用液体介质SBS-

Imagerelayingtelescopi4-^PCM实现百瓦级平均功率的激光器。1997年，Pierre等人[38】使用带有SBS-PCM的

IR beamMOPA结构激光器获得了平均功率690

W、重复频

率2.5

kHz、光束质量1.1

DL的激光输出，这是目前为

止带有SBS-PCM的激光器在高于千赫兹的重复频率

下获得的最髙平均功率。其光路如图3所示，SBS-

FaradayisolatorBeamshapingtelescopeMasteroscillatorPCM的注人光平均功率高达200

W,因此在SBS-

PCM前放置了扫描楔形镜（Scanning

Wedge)进行光图4 Pierre等人™研制的940 W激光器光路示意图Fig.4 Optical layout of 940 W laser system developed by Pierre et al[39]20211024-5

红外与激光工程第5期第50卷在紫外至红外的宽光谱范围内吸收系数很小，且

分为两束，两个放大链路中均使用SBS-PCM进行畸

变补偿，放大后的平均功率分别为398

W和368

W。2017年，澳大利亚EOS的Gao等人[45]研制了重

复频率170

Hz、平均功率约800

W、光束质量因子

SBS增益系数大、化学性质稳定，是作为SBS-PCM

介质的理想选择【26】。此后，诸多机构开展了大量以重

氟碳液体作为SBS-PCM介质的研究工作142_43,51_54】。2〇05年，日本原子能研究所的Kiriyama等人【川

研制了如图5所示的激光器，该激光器能够在1

kHz

重复频率下输出平均功率362

W的激光，其SBS-PCM

使用的介质为FC-75,可承载最高注人功率约90

W,

能量反射率为75%。2〇12年，Yoshida等人丨43】以FC-72和FC-75作为

A/2〜3的高功率激光器，其SBS-PCM使用FC-770为

介质,注人功率约为153

W，能量反射率达到95.2%。德国柏林工业大学的Eichler等人对以光纤为介

质的SBS-PCM开展了大量研究工作叫55-56】，并于

1997年1441首次将光纤SBS-PCM应用于MOPA结构

的Nd3+:YALO激光器中，获得了重复频率100

Hz、平

均功率104

W的激光输出，其SBS-PCM的能量反射

率达50%以上。OscillatorSBS-PCM的介质，研制了重复频率1〇〇

Hz、平均功

率766

W的高水平激光器，如图6所示，其输出激光Aperture

BeamexpanderIsolatorSpatialfilterImagerelayingtelescopeIR beamHWP KTPGreenbeam图5 Kiriyama等人1411研制的362 W激光器光路示意图

Fig.5 Optical layout of 362 W laser system developed by Kiriyama et al[4l]aPerture

20 mJ@ 100 Hz图6 Yoshida等人研制的766 W激光器光路示意图Fig.6 Optical layout of 766 W laser system developed by Yoshida et al*43120211024-6

红外与激光工程第5期第50卷2001年，Eichler等人[3DI利用如图7所示的激光

器中获得了平均功率315

W、重复频率2kHz、光束

质量因子M2=2.6的激光输出。在该激光器中，种子

光被分为两束分别进行放大并均使用SBS-PCM进行

畸变补偿，然后通过偏振合束合为一束。我国对SBS-PCM技术的研究起步较晚，主要研

究机构为哈尔滨工业大学、浙江大学、中国科学院光

电研究院、华北光电技术研究所和中国工程物理研究

院等单位[%54’57—59]。哈尔滨工业大学对SBS-PCM的研究主要聚焦于

大能量激光器上，2008年，王雨雷等人网将CC14作

为SBS-PCM介质并进行了百焦耳激光器搭建，其激

光器光路如图8所示，SBS-PCM可承载的注人能量

超过30J,能够有效补偿放大器RA70-1中的热畸变,改善光束质量。整体装置能够在每20

min输出一次

平均能量为106.6

J的激光，且进场光斑强度分布均

匀，有良好的光束质量。浙江大学在光纤SBS-PCM方面进行了大量研究

工作,2011年，赵智刚等人[36]使用前端直径1

mm、尾

端直径0.4 _的锥形光纤作为SBS-PCM,对双通放

大MOPA激光器进行了光束质量优化。其装置如

图9所示，能够在1

kHz的重复频率下输出平均功率

42

W、光束质量因子M2〜2.3的激光。中国科学院光电研究院着手于以FC重氟碳液体

作为介质的高负载SBS-PCM研究工作，并取得了显

著的成果。2017年，樊仲维等人131研发了可用于汤姆

逊散射诊断的高平均功率激光器，在200

Hz重复频

率下能够输出平均功率1

kW、光束质量1.7

DL的高HWP图7 Eichler等人[W1研制的带有光纤SBS-PCM的MOPA系统光路示意图

Fig.7 MOPA system with fiber SBS-PCM developed by Eichler et al130'Spatial filterSpatial filterRA40

(040 mm rod amplifier)nm rod afr4P9SBS-PCM RA70-1(070 mm rod amplifier)Output1图8王雨雷等人1461研制的百焦耳级激光器光路示意图RA70-2Fig.8 Optical layout of 100 J level laser system developed by Wang et al4-7

红外与激光工程第5期

第 50

卷质量脉冲激光，该激光器的输出平均功率及光束质量

达到了同类激光器的领先水平。其光路如图10所

示，SBS-PCM采用FC-770作为介质，种子光经过Pre­amplifier

unit 的功率放大和

Beam

control

unit 的畸变补偿后，平均功率达到60

W，而后经过AMP5~AMP7

三级板条放大器将平均功率进一步提升至1

kW可Oscillogragh

ISingle longitudinal

mode laserIsolator I

Beam expander90° quartz Isolator IIrotator Vacuum tubeI」Optical trapPower amplifier IPower amplifier IILensDepolarized output

of double passmeter IPower,n

a , rPowerBpSmeter 11QWPu U Tapered fiber图9赵智刚等人[361的实验装置原理图Fig.9 Schematic diagram of the experimental setup adopted by Zhao et al[361HWP

丨

HWPAMP,Pre-amplifier unitUA • 0,HWP3SF，hwp4| r------------TiJ1

~----------门U---------t!H；

I(~ 11-------------------------amp3L2 90° quartz

i

rotatoramp4!

|

■L3 SBS-PCM

Beam control unit图10樊仲维等人131研制的1 kW激光器光路示意图Fig. 10 Optical layout of 1 kW laser system developed by Fan et al[3!20211024-8

红外与激光工程第5期第50卷以看到SBS-PCM只对AMP3和AMP4两级放大器进

行了热畸变补偿，可能的原因是SBS-PCM的可承载

功率有限，因此若能进一步提升SBS-PCM的可承载

功率，使其在光路中的位置向后级移动以补偿更多级

放大器中的热畸变，结合合理的放大器增益配比，有

望在保持同水平输出平均功率的同时获得更好的光

束质量。2018年，康治军等人1471使用SBS-PCM研制了如图11所示的可用于空间碎片探测的高平均功率激光

器，能够在500

Hz重复频率下输出平均功率550

W、

光束质量因子M2~2的激光脉冲。其SBS-PCM用于

补偿Postamplifierunit 1中四级放大器的热畸变，可承

载注人光功率达150

W，能量反射率为92%，介质采

用高效过滤后的FC-770,能够有效避免光学击穿的

发生。图11康治军等人1471研制的550 W激光器光路示意图

Fig. 11 Optical layout of 550 W laser system developed by Kang et al[4?13总结与展望SBS-PCM具有相位共轭特性，能够实时补偿激

现有研究中的注人光单脉冲能量多为几十豪焦以

下[33],因此不适用于单脉冲能量较大的激光器；而以

重氟碳为代表的液体介质具有化学性质稳定、吸收系

数极低、击穿阈值和SBS增益系数高等诸多优点，因

此被广泛应用于高重复频率、高平均功率激光器中。目前，液体介质SBS-PCM的主要瓶颈是高注人

光功率引发的热效应会影响装置运行的稳定性。为

此，通常采用光束扫描[6〇i或循环介质M的动态工作

方式和高效过滤介质147541的静态工作方式。其中动

态工作方式将明显增加装置的复杂程度，削弱了

SBS-

光放大器中的波前畸变，因此广泛应用于高光束质量

的高功率激光器中，目前带有SBS-PCM的激光器的

平均功率和重复频率分别可达到千瓦和千赫兹量级，

并能够保持良好的光束质量。在诸多SBS-PCM的介

质中，气体介质由于SBS增益系数低且安全性差已被

逐渐取代；固体介质易发生永久损伤，只有光纤仍较

为广泛地被用作SBS-PCM介质，尤其适用于重复频

率千赫兹量级的激光器中，但其端面损伤阈值较低,PCM结构简单的优点，且额外的机械、电机结构也会20211024-9

红外与激光工程第5期第50卷降低装置的稳定性。而静态工作方式的难点主要在

介质的过滤工艺上，封装后不会对激光器增添复杂

性，因此优化提纯工艺或开发具有更好光学特性和热

特性的介质将成为国内外对SBS-PCM的研究热点。参考文献：[1] Sun Mingguo, Gao Pengqi, Li Zhenwei, et al. Analysis on the

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