1 河北工業大學電子信息工程學院

2 山東省烯烴催化與聚合重點實驗室

3 河北工業大學科學技術研究院

近些年來，短脈沖激光由于其時間分辨率高、脈沖峰值功率高、光譜范圍廣等特性，在材料加工、激光雷達、激光醫療等領域有著重要應用。目前產生短脈沖激光的主要方式為調Q技術和鎖模技術。調Q技術通常用作產生納秒級激光，通過短腔法可以實現亞納秒短脈沖激光產生，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，可以產生皮秒到飛秒量級的激光，但是由于鎖模器件損傷閾值的限制，產生脈沖的能量僅限于nJ~μJ量級。

通過調Q技術產生和放大納秒級激光長脈沖，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對激光能量的限制，高效地產生大能量短脈沖激光。目前，基于非線性光學原理的脈寬壓縮技術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換效率和高壓縮比成為獲得高能量、亞納秒量級脈沖的重要手段，但現有SBS增益介質的聲子壽命僅在百皮秒量級，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。

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進一步實現皮秒甚至飛秒脈沖的獲取。此外，大頻移的特點使其在特殊波段的超短脈沖激光產生方面也有著重要應用。

1962年，Eckhardt等首次發現受激拉曼散射現象，隨后1968年國際商業機器公司的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沖獲取方面的能力；1999年日本東京理科大學探索了受激拉曼散射在高能脈沖獲取方面的應用；勞倫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面的應用，驗證了SRS應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、頻率變換等優點更加突出。

氣體介質主要包括CH₄、H₂和稀有氣體等。氣體介質的純度高，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，所以氣體的拉曼增益小、非線性競爭強。除此之外，熱導率低以及化學穩定性差等因素也限制著氣體介質的應用。

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

表1 液體拉曼介質及性質

1963年，受激拉曼散射效應在金剛石等晶體材料中被發現，但是由于缺乏高質量的拉曼晶體，直到20世紀70年代才獲得了較高的轉化效率而投入應用。隨著新型拉曼晶體介質的不斷涌現和CaCO₃、Ba（NO₃）₂、KGd（WO₄）₂等高增益高負載拉曼晶體生長技術的完善，晶體中的SRS壓縮為超短脈沖激光的產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閾值更高的晶體材料的工作還有待進一步探尋，同時晶體尺寸小、價格高昂，且受到光學擊穿的損失不可恢復等因素，也限制了晶體介質在超高功率激光領域的應用。

等離子體機制中的背向拉曼放大技術，也最有希望成為進一步獲得大能量短脈沖技術手段。使用等離子體介質進行拉曼壓縮的主要優點是熱損傷閾值小，并且能夠承受非常高的光強而不受損壞。但等離子體介質應用的局限性在于它的產生和控制非常復雜，技術穩定性還不夠成熟。

• 聲子壽命

SRS脈寬壓縮基于泵浦光場、Stokes光場和分子振動的三波耦合，而聲子壽命代表聲場從不穩定振蕩中恢復所需的時間，會對Stokes脈沖和泵浦脈沖的作用時長造成影響，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，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，瞬時增益增大，可見選取短聲子壽命的介質更有利于獲得短脈沖。

• 增益系數

圖1 壓縮脈沖寬度與增益系數的關系（左）；能量轉化效率與增益系數的關系（右）

圖2 單拉曼池壓縮結構

圖3 種子注入式脈寬壓縮結構

• 泵浦脈沖能量

• 泵浦脈沖寬度

• 透鏡焦距

• 池長