实验研究：非线性光学与光子学中的受激布里渊散射

1）受激布里渊散射（SBS）工作介质

对受激布里渊散射工作介质的要求是：它们应在泵浦波长区域高度透明，具有较高的质量密度和较大的电致伸缩系数，能承受较高的聚焦入射激光功率密度而不产生光学击穿或破坏。在实验上，几乎所有已知的光学介质均可用来产生SBS。其中经常采用并具有代表性的工作介质和SBS频移范围如下所述［85～96］。

（1）固体介质。如晶体石英、融熔石英、青玉晶体、光学玻璃、光学纤维、有机晶体、聚合物材料等。在上述这类固态介质中观察到的反向SBS光的频移（以波数表示）为0.3～1 cm-1；介质内产生的感应声波场的频率处于特超声波段为3～30 GHz。介质对入射光和散射光的衰减系数为10-2～10-3 cm-1，所产生的特超声的衰减系数为102～103 cm-1。特超声在介质内的传播速度为4 000～6 000 m/s，感应特超声的声子寿命为1～10 ns量级。

（2）液体介质。经常采用的有二硫化碳、己烷、苯、丙酮、四氯化碳、甘油、水、液态气体等。这些介质产生的反向SBS光的频移（以波数表示）为0.15～0.3 cm-1；介质内产生的特超声频率为4.5～9 GHz。液态介质对入射光和散射光的衰减系数约为10-2 cm-1，对所产生的特超声的衰减系数为103～104 cm-1。特超声速度为1 000～2 000 m/s，感应声子寿命为0.2～5 ns。

（3）气体介质。为处于高压状态（几十到几百大气压）的H2，N2，CH4，CO2等气体。采用高压，是为了提高气体密度和相应的受激散射增益作用。反向受激散射光的频移（以波数表示）为0.01～0.05 cm-1；介质内产生的特超声频率为0.3～1.5 GHz。气体介质对光波的衰减作用可忽略，特超声速度为150～500 m/s，感应声子寿命为1～30 ns。

2）受激布里渊散射实验装置

由于布里渊散射的频率范围十分小（＜1 cm-1量级），因此用来产生SBS的泵浦光源，通常是输出光谱宽度≤0.1 cm-1的纳秒脉冲激光器。为达到这一频宽要求，可在激光腔内采取限制纵模技术，或采用染料被动调Q技术。

图7-22为实现受激布里渊散射几种实验装置的原理示意图。图7-22（a）是最为普遍使用的装置设计，其特点是泵浦光经聚焦后单次通过散射工作介质并产生后向（θ=π）的SBS。为防止后向SBS辐射返回泵浦激光腔内影响后者的正常运转，可在散射介质与泵浦激光源之间放置光学隔离器。一种方便的隔离器选择，是由一个偏振棱镜和一个λ/4波片所组成，它们的组合作用是在阻挡反向SBS进入泵浦源的同时，可将反向受激散射沿棱镜侧方反射输出。图7-22（b）是一种特殊的设计，其特点是散射介质置于一个外共振腔内，后者光轴与入射泵浦光成一微小角度，可产生近于反向（θ≈π）的受激散射；基于该共振腔对受激散射信号的多次往返反馈作用，可使泵浦光阈值降低；若改变腔轴与泵浦光的夹角，还能调谐SBS的频移值。图7-22（c）为另外一种特殊的设计，其特点是散射介质置于一个与泵浦光方向垂直的外腔内，而截面较粗的泵浦光束经过一个柱面透镜后由侧面聚焦入射到散射介质中，从而可实现（θ=π/2）方向上的SBS。图7-22（d）所示的装置，经常被用于通过SBS产生光学相位共轭波的实验研究，其特点是由散射介质产生的后向SBS光束经过一个以适当方式泵浦的激光放大器放大后，再输出到系统之外。

图7-22　受激布里渊散射（SBS）的几种实验装置设计

（a）单次通过工作介质产生反向SBS；（b）介质置于一个外腔内产生近于反向的SBS；（c）介质置于一个外腔内产生90°方向上的SBS；（d）反向SBS经过一个激光放大器后由侧方输出

与拉曼散射相比，布里渊散射的频移数值甚小，所以须采用高分辨率的光谱分析仪器加以探测和记录。例如，测大角度散射时，可用法布里珀罗（FP）标准具（干涉仪）进行光谱照相分析，当所研究的受激散射光频移值更小或具更加精细的光谱结构时，则必须采用光学外差或光电拍频的方法进行微波频谱分析。

图7-23为利用F-P标准具测量出自液体或固体散射介质后向SBS光谱频移值的常用光学装置。其主要特点是通过一个部分反射的光学分束器，使得经其反射后的反向SBS光束与经过另外反射镜取样的半束泵浦光，一起通过一个发散透镜扩孔后射入F-P标准具（或干涉仪）；由后者输出的光束再经过一个透镜聚焦并在焦平面上形成两组干涉环：其中一组完整的圆环由SBS光形成，而另外一组半环由泵浦光形成，知道了标准具的自由光谱区，即可通过两组圆环的间距而确定SBS的频移值。作为一个示意性的例子，图7-24为利用一台F-P标准具拍摄到的出自一个5 cm充水液盒的后向SBS光束以及单纵模532 nm脉冲泵浦光束的干涉光谱照片，测得的SBS频移值为0.22 cm-1。

图7-23　反向SBS光谱测量的常用光学装置

图7-24　利用F-P标准具拍摄的出自水样品液盒的后向SBS干涉环（全环）以及单纵模532 nm泵浦激光干涉环（半环，标准具自由光谱区为0.455 cm-1）

3）受激布里渊散射的实验研究重点

人们对受激布里渊散射有较强的研究兴趣，一是想了解强光场与感应特超声场之间相互作用的种种特性；其次是人们也发现SBS过程与固体介质或样品盒窗口的光致击穿与破坏有一点关联；而更为重要的是，在相当长一段时间内，反向SBS曾是产生光学相位共轭波的最有效的手段之一（参见第8章）。(www.xing528.com)

在实验上研究受激布里渊散射的重点考虑之一，是如何降低SBS的产生阈值和提高SBS的产生效率，后者常以所采用的工作介质的非线性反射率来表征，它被定义为反向SBS光能量（功率）与入射泵浦光能量（功率）之比。

为降低SBS的产生阈值，首要条件是入射泵浦激光的谱宽要尽可能窄，通常应为单纵模激光，其谱宽≤0.1 cm-1。其次，在给定工作介质的前提下，为降低阈值水平而尽量提高介质的光学透过率是必要的。如在液体介质情况下，采取过滤或其他纯化措施；在固体介质情况下，则应尽量减小引起有害吸收和散射的杂质颗粒的含量。采取上述措施，也有助于减少工作介质在高泵浦光强水平下产生击穿和破坏的可能性，这种光学击穿或破坏往往成为限制非线性反射率和获得高能量SBS输出的主要因素之一。

实验表明，在较好的条件下，由入射泵浦激光向受激布里渊散射光的能量转换效率为10%～30%；在最佳实验条件下，甚至可提高到50%～70%，工作介质可在高于阈值20～30倍的水平上进行泵浦［97～106］。

表7-1列出了取自一些高效率SBS实验研究结果的典型数据，包括泵浦激光源，泵浦光条件（波长、谱宽、脉宽、功率），散射工作介质与所报道的非线性反射率。

表7-1　高非线性反射SBS实验研究的代表性结果

4）受激布里渊散射的起始延迟特点

在实验上，受激布里渊散射呈现出的一个显著特点，是它的产生时间相对于入射泵浦光而言，总是呈现出一定的明显延迟。图7-25为反映SBS这一特点的两个实验结果实例［107，108］。

图7-25　反向SBS出现的延迟效应［107，108］

（a）出自氟利昂（FC75）液体样品的SBS脉冲波形（实线）和1 064 nm泵浦脉冲波形（虚线）；
（b）出自SF6气体样品的SBS脉冲波形（右）和1 064 nm泵浦脉冲波形（左）

图7-25（a）分别显示了由示波器测量到的出自氟利昂（FC75）液体样品的反向SBS脉冲波形（实线）和波长为1064 nm的泵浦脉冲波形（虚线）［107］。由图中可看出泵浦脉冲波形基本是前后对称的，而SBS光是在泵浦脉冲达到峰值后的时刻出现，然后在泵浦脉冲的后半段持续存在，这种行为显然不能由简单的阈值条件所解释。

图7-25（b）左图为出自一台锁模和调Q的Nd：YAG激光器的1 064 nm泵浦光脉冲组的时间波形，每个单脉冲的宽度为0.2 ns，脉冲间隔为7.5 ns，整个脉冲组的包络线宽度为45 ns；右图则显示了由上述脉冲组泵浦并处于22大气压的SF6气体样品反向SBS的脉冲组波形记录［108］。由左右两图的比较可以看出，受激散射仍然是在泵浦脉冲组的后半段出现，而且SBS的峰值脉冲发生在泵浦光的峰值脉冲之后。

还可进一步举出一组以波长为532 nm、脉宽为10 ns的单纵模激光脉冲在一个2 cm长充苯液盒中产生反向SBS脉冲发射的时间波形，它们是在不同的泵浦能量水平下记录的，并可与入射泵浦脉冲波形相比较，如图7-26所示［109］。由该图可看出，当泵浦水平略高于阈值水平时，受激散射脉冲峰值位置落后于泵浦峰值2 ns左右；以后随着泵浦水平的升高，这一时间延迟逐渐变小，直到高泵浦水平下两种脉冲峰值基本重合。

图7-26　出自2 cm苯液盒反向SBS脉冲时间波形随泵浦水平的变化。单纵模泵浦光波长为532 nm、脉宽10 ns、谱宽＜0.01 cm-1［109］

以上所举三个实例，都表明了一个事实，即SBS的产生条件，不仅仅决定于泵浦光的瞬时光强，还决定于介质内感应特超声波场的强度水平，而特超声波场足够强度的建立，则需要一定的积累时间。已知的实验结果表明，这一积累时间（与泵浦光强水平有关）通常在0.1～10 ns的量级范围。因此，利用脉宽短于这个量级的单脉冲或低重复率激光脉冲进行泵浦，很难产生有效的受激布里渊散射。但从应用的角度来看，SBS的这一特点是有利的，因为它提供了一种通过受激散射来实现压缩激光脉冲宽度的有效途径［110～113］。

总的来说，受激布里渊散射，揭示了强光与物质相互作用的一种新形式，加深了人们对强光子场与强声子场作用过程的了解。通过对开展这一效应的研究，不但为实现相干光的精密调谐提供了一个新途径（可利用该效应制成超高精度可调谐光学移频器），而且可以作为一种有效的手段来研究各种介质的声学动力学（声速、声色散、声子寿命等）特性和光弹性力学特性。基于受激布里渊散射原理，在原则上可以制成超声和特超声波段的声波相干放大器或振荡器。此外，通过对这种效应的研究，也有助于人们进一步加深对有关透明光学介质（如激光晶体或激光玻璃工作物质）光致破坏机理的了解。此外，通过后面第8章有关内容的介绍，还会知道，反向受激布里渊散射，也是用来产生光学相位共轭波的有效技术途径之一。