实验表征后向受激散射相位共轭的特性

在实验上，后向受激散射光的相位共轭性质和克服畸变影响的能力，可分别通过对该输出光束的远场（发散角）、近场（图像）或波面的直接干涉测量而加以确定。其中最常采用的是对远场发散角的测量，因为它是在功率（能量）给定前提下决定相干光束定向亮度的关键物理量。

图8-17给出了早期用类似于图8-16所示装置所做SBS实验的典型远场测量结果［41］。该实验利用波长为694.3 nm、脉宽为17 ns、发散角为0.57 mrad的单轴模红宝石脉冲激光作入射泵浦光，以CS2液体为散射介质产生后向SBS。图8-17分别显示了未经过像差板时、经过像差板后的泵浦光束以及有像差板时后向SBS光束等三种情况下的远场焦斑照片和发散角曲线。由这些结果可看出，经过像差板后泵浦光发散角扩大为6.6 mrad，但经像差板输出后的受激散射光束的发散角却只有0.44 mrad，充分显示了后者自动克服像差影响的能力。

图8-17　采用CS2液体为介质产生后向SBS输出光束和泵浦光束的远场测量结果［41］

为说明后向受激散射的相位共轭特性与产生该受激散射的具体物理机制无关，图8-18给出了通过后向受激瑞利-布拉格散射实验所获得的远场测量结果［54］。该实验中利用波长为1 064 nm、脉宽为10 ns、谱宽为0.8 cm-1的脉冲激光作泵浦光束。采用在泵浦波长处具有三光子吸收能力的染料溶液作介质，产生无频移的后向受激瑞利布拉格受激散射。图8-18（a）为不放置像差板时，通过一个焦距为50 cm透镜和CCD相机记录的受激散射光的远场图样，显示出和入射泵浦光基本相同的光束发散角。图8-18（b）为泵浦光两次通过像差板后单独记录到的远场图样，显示出像差板的严重影响。图8-18（c）为在放置像差板的情况下，后向受激散射光通过像差板输出后的远场图样，可看出像差板的畸变影响已基本得到消除。

图8-18　采用三光子吸收染料溶液产生后向受激瑞利布拉格散射的远场测量结果［54］

（a）不加像差板时受激散射远场图；（b）两次经过像差板后泵浦光远场图；（c）反向经过像差板后受激散射远场图

为表明后向受激散射光对入射泵浦光所携带近场图像的再现能力，图8-19为利用后向受激米氏散射所做实验的近场图像的测量结果［56］。该实验利用波长为1 064 nm、脉宽为13 ns、谱宽为0.8 cm-1的脉冲激光作泵浦光束，采用直径为7 nm、长度为26 nm的CdSe量子棒在氯仿中的悬浮液（质量浓度10 mg/mL）作散射样品，在≥280 MW/cm2的泵浦光强水平产生无频移的后向受激米氏散射。在放置有像差板的情况下，它所产生的畸变影响可以在后向散射光中得到基本消除。进一步，代替像差板，在相同位置放置一个具有箭头状开口的光阑，可使通过该光阑的泵浦光束携带有一定的图像信息。图8-19（a）为光阑开口形状的照片；图8-19（b）是通过光阑后泵浦光的近场照片，显示光束截面形状基本与光阑开口相似；图8-19（c）是输出后向受激散射光束的近场照片，显示出清晰的箭头状截面形状；图8-19（d）是通过样品后前向透过泵浦光束的近场照片，可看出入射前的箭头图样已经变得模糊和难以辨认。这后一事实可以用散射介质在强泵浦光作用下，由于光强横向分布不均匀和非线性吸收等因素造成的折射率无规变化所引起的。在这种意义上来说，可把产生受激散射的工作介质本身，看成折射率畸变介质，它对前向泵浦光产生波面畸变影响，而对后向受激散射光则不起作用。换言之，可以在光学均匀性不完美的畸变散射介质中，获得高质量和低发散角的后向受激散射光束。

图8-19　采用CdSe量子棒悬浮液产生后向受激米氏散射实验所拍摄的近场图照片［56］

（a）通光光阑的开口形状；（b）通过光阑后泵浦光束近场图样；（c）后向受激散射光束近场图样；（d）穿过样品介质后前向透过泵浦光束近场图样(www.xing528.com)

基于后向受激散射的相位共轭特性，可以实现在非规则或扰动散射介质系统中的高定向后向受激散射。最近的一项实验证明了这样一种可行性［57］。在这项工作中，CdSe/CdS/ZnS双壳结构纳米微晶颗粒（NCs）分散在氯仿中被用作米氏散射介质，以染料激光器输出的816 nm和8 ns激光脉冲进行泵浦。实验装置如图8-20（a）所示，纳米微晶悬浮液置入一个不具光学质量的普通玻璃小瓶中；图8-20（b）是泵浦光束不经过样品瓶的远场照片，显示出0.35 mrad的散度角；图8-20（c）是经过样品瓶后的泵浦光的远场照片，表明玻璃瓶产生严重的畸变影响。与此相反，经样品瓶出射的后向SMS光束的远场照片如图8-20（d）所示，说明玻璃小瓶的像差（玻璃表面不平整）和畸变（瓶壁为圆柱形）的影响基本上得到消除。

图8-20　在一个盛有半导体微晶悬浮液的低光学质量玻璃小瓶中产生后向SMS的实验装置（a）、未经过样品瓶时泵浦光束远场图样（b）、穿过样品瓶后透射泵浦光束远场图样（c）与由样品瓶输出SMS光束远场图样（d）［57］

图8-21　用干涉方法测量后向SBS相位共轭特性的实验装置［58］

除了上述两种最常用的远、近场测量方法外，还可采用其他特殊的方法对相位共轭波的波面复原能力进行评估。其中一种方法是对相互比较的入射泵浦波面与后向受激散射波面进行直接的干涉测量。图8-21给出了这样一种实验测量的装置简图［58］。在该实验中，利用波长为532 nm、脉宽为10 ns、发散角为1 mrad的脉冲激光作泵浦光源。经分束板后，两束泵浦光束Ⅰ和Ⅱ，分别聚焦入射到两个同样盛有CS2液体的样品盒中；控制两光束的光强，使它们均能产生各自的反向受激布里渊散射。在两入射光路中同时放置玻璃平板取样器，则可分别获得由两入射泵浦光束构成的双光束干涉场图和由两后向SBS光束构成的干涉场图。

图8-22（a）为两泵浦光束的干涉图照片，表明两入射光束均具有较好的规则波面。图8-22（b）是在图8-21中光路Ⅰ位置A处引入像差板情况下，两泵浦光束的干涉图照片，此时干涉条纹十分模糊，表明了像差板对泵浦光束Ⅰ产生的严重畸变影响。图8-22（c）是在入射光路Ⅰ中不引入像差板的情况下，由两个后向SBS光束形成的干涉图照片，干涉条纹十分规则，表明两后向受激散射光束均具有较完好的波面特性。图8-22（d）是在光路Ⅰ中位置B处引入像差板的情况下，由两SBS光束形成的干涉图照片，此时干涉条纹仍清晰可见，但规则程度略有所下降；这表明在光束Ⅰ中引入的像差影响，被由该光路激发的后向SBS光束基本消除，不过消除的程度并不完善。

图8-22　利用图8-21所示装置拍摄到的双光束干涉照片［58］

（a）无像差板时两入射泵浦光束之间干涉图样；（b）像差板置于光路Ⅰ位置A时两泵浦光束之间干涉图样；（c）无像差板时两SBS光束之间干涉图样；（d）像差板置于光路Ⅰ位置B时两SBS光束之间干涉图样

通过理论分析表明，后向受激散射相位共轭特性的呈现是有条件的，它克服像差和畸变影响的能力也是受到一定实验条件限制的。一般而言，在低阈值、强泵浦、长增益等条件下，容易获得共轭特性比较完善的后向受激散射输出。