1 河北工业大学电子信息工程学院

2 山东省烯烃催化与聚合重点实验室

3 河北工业大学科学技术研究院

近些年来，短脉冲激光由于其时间分辨率高、脉冲峰值功率高、光谱范围广等特性，在材料加工、激光雷达、激光医疗等领域有着重要应用。目前产生短脉冲激光的主要方式为调Q技术和锁模技术。调Q技术通常用作产生纳秒级激光，通过短腔法可以实现亚纳秒短脉冲激光产生，但受限于谐振腔的长度无法获得更短脉冲。另外一种方法是锁模技术，可以产生皮秒到飞秒量级的激光，但是由于锁模器件损伤阈值的限制，产生脉冲的能量仅限于nJ~μJ量级。

通过调Q技术产生和放大纳秒级激光长脉冲，再通过脉宽压缩技术将其压缩到皮秒量级，这条技术路线能够有效地规避器件损伤对激光能量的限制，高效地产生大能量短脉冲激光。目前，基于非线性光学原理的脉宽压缩技术主要有受激布里渊散射（SBS）脉宽压缩和受激拉曼散射（SRS）脉宽压缩。

受激布里渊散射脉宽压缩因具备高转换效率和高压缩比成为获得高能量、亚纳秒量级脉冲的重要手段，但现有SBS增益介质的声子寿命仅在百皮秒量级，使得通过SBS脉宽压缩获得最短的输出脉冲也被限制在百皮秒量级。

与受激布里渊散射脉宽压缩相比，受激拉曼散射脉宽压缩具有更短的声子寿命，能够突破百皮秒量级进一步实现皮秒甚至飞秒脉冲的获取。此外，大频移的特点使其在特殊波段的超短脉冲激光产生方面也有着重要应用。

1962年，Eckhardt等首次发现受激拉曼散射现象，随后1968年国际商业机器公司的Culver等研究了背向拉曼散射的脉宽压缩特性，在实验中获得了300 ps的输出。1997年俄罗斯科学院列别捷夫物理所验证了受激拉曼散射在飞秒脉冲获取方面的能力；1999年日本东京理科大学探索了受激拉曼散射在高能脉冲获取方面的应用；劳伦斯利弗莫尔国家实验室拓展了拉曼散射在压缩紫外激光方面的应用，验证了SRS应用在激光核聚变方面的潜力。

而能够决定最终输出脉冲特性的是声子寿命、增益系数等介质参数和相互作用长度、聚焦参数等结构参数。近些年来的工作很大程度上丰富了拉曼介质种类，压缩结构也获得长足发展，使得受激拉曼散射输出功率高、转换效率高、频率变换等优点更加突出。

气体介质主要包括CH₄、H₂和稀有气体等。气体介质的纯度高，有较高的自聚焦阈值和低散射损耗，但粒子数密度低，增加气体压强的同时还需要急剧增加光学相互长度才能达到有效的拉曼转换，所以气体的拉曼增益小、非线性竞争强。除此之外，热导率低以及化学稳定性差等因素也限制着气体介质的应用。

相比之下，液体介质的粒子数密度更高，较大的散射截面和拉曼增益系数也使其容易获得高压缩比的脉冲。液体介质包括乙醇、水、二硫化碳、苯等。表1整理了部分代表性的拉曼液体介质及其性质。液体介质自聚焦阈值低、化学性质不稳定，并且大部分的液体介质都有毒性、挥发性，因此被限制了应用范围。

表1 液体拉曼介质及性质

1963年，受激拉曼散射效应在金刚石等晶体材料中被发现，但是由于缺乏高质量的拉曼晶体，直到20世纪70年代才获得了较高的转化效率而投入应用。随着新型拉曼晶体介质的不断涌现和CaCO₃、Ba（NO₃）₂、KGd（WO₄）₂等高增益高负载拉曼晶体生长技术的完善，晶体中的SRS压缩为超短脉冲激光的产生提供了一条更切实可行的发展路线。但是，寻找增益更高和损伤阈值更高的晶体材料的工作还有待进一步探寻，同时晶体尺寸小、价格高昂，且受到光学击穿的损失不可恢复等因素，也限制了晶体介质在超高功率激光领域的应用。

等离子体机制中的背向拉曼放大技术，也最有希望成为进一步获得大能量短脉冲技术手段。使用等离子体介质进行拉曼压缩的主要优点是热损伤阈值小，并且能够承受非常高的光强而不受损坏。但等离子体介质应用的局限性在于它的产生和控制非常复杂，技术稳定性还不够成熟。

• 声子寿命

SRS脉宽压缩基于泵浦光场、Stokes光场和分子振动的三波耦合，而声子寿命代表声场从不稳定振荡中恢复所需的时间，会对Stokes脉冲和泵浦脉冲的作用时长造成影响，决定了压缩脉冲宽度的最低限度。Stokes脉冲宽度与声子寿命大小呈正相关，在相同泵浦条件下，较短的声子寿命能够使Stokes脉冲的前沿与泵浦脉冲快速耦合，瞬时增益增大，可见选取短声子寿命的介质更有利于获得短脉冲。

• 增益系数

图1 压缩脉冲宽度与增益系数的关系（左）；能量转化效率与增益系数的关系（右）

图2 单拉曼池压缩结构

图3 种子注入式脉宽压缩结构

• 泵浦脉冲能量

• 泵浦脉冲宽度

• 透镜焦距

• 池长