以K9玻璃与熔石英玻璃代替传统的液体或气体作为纵向受激布里渊散射(LSBS)样品, 波长1.064 μm,脉宽可调的单纵模电光调Q激光器作抽运光, 实验探讨了抽运光脉宽、抽运光能量大小、抽运光脉冲重复频率对纵向受激布里渊散射脉宽压缩效应和散射光能量提取效率的影响。实验结果表明, 抽运激光脉冲重复频率高, 则散射光能量提取效率高; 脉宽小, 则散射光能量提取效率高; 焦距为500 mm时300 mm长的K9玻璃中得到的散射光能量提取效率比170 mm长的熔石英玻璃高; 在抽运光脉冲重复频率为1 Hz时, 二者都可以得到90%的散射光能量提取效率。探讨了抽运光为多纵模时, 固体介质中受激布里渊散射与光学击穿相伴发生的三种不同情况。实验证明, 多纵模情况下固体光学介质中同样可以发生受激布里渊散射; 多纵模情况下不一定会对固体光学介质产生光学击穿破坏; 光学击穿破坏的发生也不一定会阻止受激布里渊散射的发生, 二者可以相伴发生。

以K9玻璃与熔石英玻璃代替传统的液体或气体作为纵向受激布里渊散射(LSBS)样品, 波长1.064 μm,脉宽12 ns的单纵模电光调Q Nd:YAG激光器作抽运光, 实验上以脉宽压缩和后向斯托克斯(Stokes)散射光频移为标志, 测到后向斯托克斯散射光线宽和散射光脉宽压缩比。研究了纵向受激布里渊散射样品的长度、抽运光能量大小、材料种类对纵向受激布里渊散射脉宽压缩效应和散射光能量提取效率的影响。实验结果表明, 熔石英与K9玻璃的受激布里渊散射发生阈值、饱和阈值、散射光能量提取效率、散射光脉冲波形均相近, K9玻璃可以成为一种更廉价的受激布里渊散射介质。针对170 mm的熔石英玻璃样品, 找到了纵向受激布里渊散射的发生阈值、饱和阈值, 并得到了较高的散射光能量提取效率, 从100 mm的熔石英玻璃中获得了87%的散射光能量提取效率, 而从170 mm的熔石英中获得了90%左右的散射光能量提取效率。实验数据拟合的规律曲线印证了数值模拟结果。

采用波长为1.064, 0.532 μm的聚焦高斯光束作为泵浦光,数值求解受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)放大器型耦合波方程组,比较K9玻璃、熔石英、BK7玻璃、CaF₂的SBS特征参数.研究发现:对于相同的激光参数,不同的介质具有不同的SBS特征,声子寿命长则破坏阈值低,破坏效果明显.SBS过程对CaF₂的破坏效果较明显,导致了介质前表面的破坏,在一定的激光参数和聚焦参数下,焦点附近优先于前表面破坏.SBS过程可以得到脉宽压缩比大于10、强度比泵浦光峰值高5倍以上的Stokes散射光脉冲.相同激光参数下,不同材料压缩效果及散射光相位共轭保真度不同,CaF₂在低泵浦能量时脉宽压缩特性较好;高泵浦能量时,相位共轭保真度较好.固体透明光学材料中可获得大于95%的能量提取效率.

在非线性光学耦合波方程组中加入聚焦项,使之能够描述聚焦泵浦条件下的受激布里渊散射过程(SBS).利用改进的SBS方程组,模拟了聚焦泵浦条件下熔石英玻璃棒中的SBS过程,给出了SBS反射率与泵浦激光能量的依赖关系,发现散射光脉冲中存在"聚焦刺",并通过分析SBS诱导产生的应力场的特征对布里渊介质的安全性进行了评估,理论分析的结果与Yoshida等人的实验结果一致.

从非线性光学的耦合波理论出发,结合流体力学的连续性方程,建立了光学元件中窄带泵浦的横向受激布里渊散射的二维理论模型,并在此基础上,利用数值模拟考察泵浦光带宽增加对受激散射过程的影响.研究表明:在一定的条件下,当泵浦光带宽略大于布里渊线宽时,受激散射过程的Stokes增益将显著降低;带宽越大,Stokes增益降低得越多;当带宽大于20GHz时,可以抑制横向受激布里渊散射带来的不良影响.另外,当带宽一定时,调制频率的改变也会影响受激散射过程,可以通过数值模拟确定最佳的调制频率.

采用高速PIN光电探测器和高带宽的数字存储示波器,实时检测透射光脉冲和散射光脉冲的变化特征,并将之用作材料破坏的光学判据,测量得到K9玻璃在1.06μm纳秒脉冲激光作用下的能量损伤阈值约18mJ,相应的能量密度阈值为1.0kJ/cm².通过分析透射光脉冲和散射光脉冲的特征,给出了材料的破坏时刻,并推断出K9玻璃所能承受的极限光强为10¹⁵W/m².研究了能量透过率与泵浦能量的关系,并初步探讨了透明材料的破坏机理.结果表明:在多纵模激光的作用下,透明光学材料破坏是电离击穿与自聚焦效应综合作用的结果.

采用位移形式表征各向同性介质的运动,从而对传统的SBS耦合波方程组进行改造,使之适用于多维的情况并体现光学理论和力学理论的耦合.采用有限差分方法数值求解了光学-力学耦合型后向SBS方程组,得到了瞬态的位移场、速度场和应力场.计算结果表明,当泵浦光光强为2.0×10¹⁵W/m²时,SBS可激发厚度为1cm的K9玻璃样品的表面产生出0.1nm量级的位移和10m/s量级的速度,对应的应力幅度达到10MPa量级.

从非线性光学的耦合波理论出发,建立了种子光入射的窄带泵浦的横向受激布里渊散射的二维理论模型,并对稳态情形进行了数值模拟,得到了散射光强的二维分布.计算表明,散射光场在入射面内呈现出"局部集中"的特点,而且由于"空间压缩"效应,使得获得的最大散射光强远大于初始泵浦光强.还分析了光场及材料参数对获得的散射光强的影响,得出:入射的激光功率密度越大,光学元件的横向尺寸越长,材料的吸收系数越小,受激散射产生的散射光和弹性声波强度就越大,在材料内部引起的应力也越强,从而越有可能造成材料的破坏.

通过数值求解一维瞬态受激布里渊散射(SBS)声光耦合波方程,从理论上分析了泵浦激光参数及光学材料参数对SBS过程发生阈值的影响.以SBS过程中建立起来的应力场抗拉(压)强度和散射场的反射率为判据,分析了激光脉宽及作用区域长度对激光超声破坏材料效果的影响,探讨了短脉冲激光(约ns)引起的激光超声对材料的破坏机理;讨论了通过参数配置有效遏制SBS过程激光超声对光学材料的破坏问题.

区别于传统的受激布里渊散射(SBS)发生器和放大器,提出了一种新型的SBS模型:自供种子光模型 (self Stokes seeding,SSS).数值求解了SBS耦合波方程组,得到了SBS诱导应力的时空分布.基于SSS建立了高功率激光辐照下光学材料破坏阈值的计算模型,研究了SBS破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度的关系.研究发现,SBS作为一种破坏机制,表现为前表面破坏,且破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度均成反比.