1 引言
目前国际上SBS应用于惯性约束核聚变（ICF）激光驱动器实验研究的主要成果有：
①钕玻璃激光器的输出激光脉冲宽度为150～200ps时转换效率达到60～70％，在平均输入功率为20 W时，PCM也能够可靠稳定地工作〔1，2〕。
②利用双池PCM（负载为4．5J）获得了近衍射极限的输出〔3〕。
③利用PCM改善板条多通再生放大器的光束质量，获得了60 W的高质量激光输出，利用SBS多光束并束技术，位相锁定的激光输出能量达到10J〔4〕。
④利用PCM能补偿口径达44cm光学系统的位相畸变〔5〕，PCM的口径达10cm时，同样具有极高的位相保真度〔6〕。
⑤在超阈值泵浦下，SBS后向散射脉冲的上升沿稳定性达60ps，峰值稳定性达40ps，多池重复发射之间的脉冲波形基本不变〔7〕。
俄罗斯对SBS应用于ICF激光驱动器可能存在的各种竞争机制进行了相当细致的研究，实验证明了对2ns的激光脉冲，能量密度高达20J／cm2时，仍然能获得良好的共轭反射波，而不受受激喇曼散射（SRS）、光学击穿的限制〔8〕。在钕玻璃激光器方面，美国已获得了108 W／cm2的功率负载水平，并获得了大于75％的反射率和极好的近场和远场保真度，反射率的不稳定性小于3％。若将口径放大到φ≈100 mm，可获得100J能量输出。
2 PCM的能量和功率负载强度面：
2．1 布里渊介质中的光学击穿和多光子电离
最简单的PCM如图1所示。就PCM的一般情况来看，单级聚焦结构的PCM能量负载上限一般为300～500 mJ（1～10ns）〔12〕，对更大能量负载也有报导（1．3J）〔13〕。对波导管结构PCM，能量负载可以高一些。
2．2 布里渊介质中自发辐射SBS
限制双池PCM能量、功率负载的另一个重要因素是斯托克斯（Stokes）种子光的自发辐射阈值。SBS自发辐射的阈值可表示为gIL≤25。其中g为静态SBS增益系数、I为泵浦光强、L为泵浦光和Stokes光相互作用长度。可选择增益系数较低的非线性介质，以提高SBS放大器对泵浦功率密度上限的要求。低增益的高压惰性气体可能是较好的选择之一。
3 位相共轭及其相关问题
SBS在高功率激光系统中最广泛的应用就是利用Stokes反射光的共轭特性，通过双程或多程放大，实时补偿光学系统热畸变和材料不均匀性等因素带来的波面畸变，提高聚焦功率密度。Stokes反射光位相保真度的好坏直接影响到位相补偿能力。决定PCM共轭特性的因素是多方面的，具体可以归结到如下几点：
3．1 在焦点附近或波导管内泵浦激光光场分布
泵浦激光在焦点附近或波导管内的光场分布是决定Stokes反射光位相共轭特性的关键因素之一。实验表明对高度扰乱的位相波导PCM效果更好些。将泵浦光人为地引入强的位相扰动，可获得更高的位相保真度〔6，10〕。增益饱和与位相共轭无直接的关系〔11〕。但泵浦光过分饱和，自聚焦、受激喇曼散射（SRS）和其它非线性作用会对位相共轭产生负面影响。
3．2 非线性效应的竞争
在高功率激光泵浦下，布里渊介质中SBS与自聚焦、SRS、受激热散射等非线性效应的竞争是影响聚焦PCM位相保真度和稳定性的重要原因。特别是对一些具有较高喇曼增益的介质，在前沿极陡的脉冲泵浦下，SRS会获得极高的增益从而影响PCM的稳定性和位相保真度。选择低喇曼增益介质是解决这一问题最有效的方法。自聚焦的作用使SRS和光学击穿更易发生，受激热散射对于脉宽100ns以内激光脉冲的SBS没有明显影响〔9〕。
3．3 与脉冲时域特性相关的增益和位相起伏
在ICF激光器的应用中，要求布里渊材料有较快的时间响应，适应整形脉冲的要求。由于PCM工作在瞬态条件下，若泵浦脉冲的宽度和声子寿命接近相等甚至更小，Stokes信号光增益成倍下降，能量反射率和反射脉冲时间波形的可控性势必下降。因此，材料的声子寿命要尽可能短，即具有较宽的布里渊线宽，以保证整个散射过程均工作在静态或准静态条件下，从而使PCM具有较好的动态工作性能。
位相共轭对泵浦光时间特性的要求主要有两个方面。首先，泵浦光有较为平缓的脉冲前沿〔11〕。对于前沿很陡的泵浦激光脉中，在超阈值泵浦条件下，激光前沿在未到达焦点附近，就发生了强烈的散射，沿光束的横截面各处的自发辐射Stokes光的相关性极差，因此反射光不能有效地与泵浦光共轭。只有让激光脉冲的前沿到达焦点附近区域，获得空间相关性极好的Stokes种子光源，然后再被脉冲的后续部分放大，才能使PCM镜在超饱和条件下获得很好的位相共轭特性。其次，位相共轭对脉冲全宽度的限制近似为τ≥τ〔11〕B。理论和实验研究表明，实际光束的远场发散角和衍射极限的比θ／θd随泵浦光脉冲宽度与声子寿命的比值τ／τB的下降而减小。当τ／τB～0．2时，位相共轭基本上不可能〔13〕。
3．4 SBS放大器对位相共轭的影响
SBS放大器主要为了解决PCM能量负载问题与SBS振荡器一起使用。其本身对位相共轭的作用较小。但作为一种行波放大器，它能提供极高的能量反射率，降低SBS振荡器的负载压力。同时能在不影响位相保真度的情况下，控制脉冲波形。但放大器的自振是必须避免的，它不仅影响能量反射率、脉冲波形，而且会影响位相保真度。
4 各类PCM工作特性分析
4．1 布里渊介质特性分析
大量的研究结果表明，布里渊材料的不稳定性和高泵浦条件下其它非线性效应的竞争，是影响反射率和位相共轭稳定性最重要的因素〔14〕。如以往在实验中广泛采用的高增益介质CCl4，在高能激光泵浦条件下经多次发射之后，其化学成份发生了明显的变化，即使在相同的泵浦条件下，反射率也表现出极大的起伏〔10〕。而且，在同一次发射中，脉冲前、后沿也有差异。当采用feron－113作为非线性材料时，对基本上同样的泵浦条件和光学结构，PCM的反射率稳定性大幅度提高（小于5％）〔9〕。在文献〔14〕中研究了反射率和位相保真度随能量的关系。结果表明：在超阈值泵浦条件下，采用前沿较缓的激光脉冲不仅可以获得高的反射率，而且可获得极高的位相保真度。只要材料选择适当，如采用稳定性很好的惰性气体介质，PCM反射率和位相共轭的起伏限制在5％的范围内是可行的。
4．2 PCM结构特性分析
在ICF激光器的应用中，PCM要获得好的性能，还必须依赖于合理的结构设计。俄罗斯对四种结构的PCM进行了细致的理论和实验研究，以下是他们的实验结果和我们对这四种结构PCM工作特性的分析。
4．2．1 单池SBS位相共轭镜
这类反射镜主要有两种结构：直接聚焦式（如图1a）和波导缩孔式（如图1b）。其最主要的优点是结构简单、对光学器件没有特殊的要求。总的来说，单池PCM在功率负载和波形控制方面与ICF的要求还有一定的差距。
4．2．2 振荡器―放大器双池位相共轭镜
双池结构的PCM是针对单级PCM泵浦功率密度不能太高的缺点而设计的。基本思想是将PCM的功率负载和位相共轭的功能分别在两个不同的池中完成，从而兼顾了高功率负载、位相共轭和高反射率的要求。实验证明这是一种切实可行的办法〔14，15，16〕。
如图1c所示，双池结构的PCM具有极高的反射率、功率负载和位相共轭能力。文献报导的双池共轭镜在不损失其共轭能力的同时，反射率可高达90％以上〔15〕。
这种PCM的缺点是当脉冲宽度小于声子寿命时，瞬态SBS的增益和共轭性能明显下降。对ICF要求的1－5ns的脉宽来说，可以通过选择声子寿命短的非线性介质来解决。
4．2．3 四波混频位相共轭镜
受激布里渊加强四波混频PCM的最大特点是其有极高的位相保真度和动态响应能力。由于PCM的声波是由稳定的长脉冲参考光及Stokes反射光形成的，从而避免了Stokes光随机起伏带来的不稳定性，以及当泵浦脉冲宽度小于声子寿命时增益和共轭性能下降。这种PCM的缺点是需要产生两种不同脉宽的强激光脉冲，带来了整个装置的复杂性，而且最大的能量反射率仅为50％〔12〕，进一步提高有困难。
4．2．4 带开关的单池或双池位相共轭镜
在PCM前加一电光或磁光开关即构成了带开关的PCM。
带开关的单池或双池PCM最主要的特点是SBS振荡器工作在准静态条件下，满足实验要求的短脉冲通过电光或磁光开关削出。这种PCM的稳定性主要不依赖于其本身，而是取决于电光和磁光开关，是以上四种共轭镜中最好的。存在的问题是在高负载或大口径条件下，开关制造的困难和稳定性问题。
5 PCM的时间波形控制
PCM时间不稳定主要来源于两个方面：第一，自发辐射Stokes种子光的随机涨落；第二，泵浦光的能量、波形起伏。为此，我们对这两种因素引起的不稳定性进行了理论分析和定量的数值计算。
理论计算模型采用我们设计的一种新的PCM工作方案（见图2）。SBS振荡器和放大器分别工作在超饱和（10倍SBS自发辐射阈值）和1／2－1／4倍自发辐射阈值条件下，非线性介质参数以freon－113为参考，衰减器采用反向Faraday磁光隔离器（正通85％、反通1％），采用脉冲前沿延伸泵浦、超饱和放大。在脉冲前沿再向前延伸一定宽度，延伸的脉宽等于2倍SBS放大器与SBS振荡器之间的时间延迟。向前延伸的脉冲首先在SBS振荡池中获得位相保真度的Stokes种子光，然后再通过SBS振荡器和放大器放大到足够使PCM饱和的程度。对SBS振荡器，饱和由泵浦光实现，在不破坏位相保真度的前提下，选择注入SBS振荡器的功率密度为10到50倍SBS自发辐射阈值以加强时间稳定性（主要是解决反射脉冲的起始点问题）；SBS放大器的饱和则靠Stokes信号光饱和抽取泵浦光能量来产生。当饱和放大了的Stokes光到达SBS放大器的输出端时，放大了的声波也同时到达输出端面并且同样达到了饱和，此后有效的反射过程仅集中在SBS放大器输出端面很短的区域，并且后续脉冲的反射率近似为常数，从而获得稳定的整形脉冲输出。
计算结果表明：泵浦光能量变化和Stokes种子光的随机起伏对反射波形畸变影响主要反映在反射激光脉冲前沿。当泵浦光能量的起伏达50％时，反射脉冲前沿起伏小于40％，反射率基本上保持不变。当Stokes种子光的起伏达100％，反射脉冲前沿起伏小于20％，对反射率无明显影响。对脉冲后沿，反射率近似为常数。因此，双池PCM时间波形稳定性问题主要取决于泵浦激光的稳定性，而不在于共轭镜本身。PCM不会加剧激光能量、脉冲波形起伏，相反，采用超饱和振荡一放大方式，能对泵浦激光能量、脉冲波形起伏起到抑制作用。
PCM本身存在的不稳定因素是振荡器中自发辐射Stokes信号光随机涨落。针对这一物理事实，受文献〔17〕的启发，我们提出了两种新的解决SBS脉冲稳定性问题的方法：诱导Stokes种子光双池共轭镜方案（图3）和SBS加强四波混频产生的Stokes种子光方案（图4）。图3的基本思想是产生一微弱的Stokes信号光，在SBS振荡器中通过聚焦区或波导的输出端反馈给泵浦激光诱导产生Stokes信号，从而避免了由于自发辐射Stokes光的随机涨落对PCM稳定性的影响；图4运用低功率密度SBS加强四波混频的快速响应特性产生Stokes信号光，再经SBS放大器放大。这两种方案都能比较好地解决后向Stokes光脉冲的起点问题。剩余的问题就是简单的行波放大，其波形控制是可行的。图3中Stokes小信号光的强度以抑制Stokes噪声Isign＞＞Isp而又不破坏PCM的位相共轭为宜，Isign＜＜Ipump。克服了PCM存在的随机因素，其时间稳定性是可靠的。同时由于注入的Stokes信号光与泵浦光的相关性要明显好于自发辐射起源Stokes光，位相保真度也是有保证的。
在超饱和工作条件下，采用SBS放大器一振荡器双池结构的PCM，在获得高反射率、高保真度、可控脉冲输出的同时，不会增加激光系统的不稳定性。选择合适的非线性介质和最佳的结构设计可得到满足ICF要求的PCM。利用PCM设计的双通或多通激光驱动器能大辐度降低造价，获得高能量、高功率密度、高光束质量、高稳定性和波形可控的激光输出。