The prepulse technique in stimulated Brillouin scattering (SBS) has been developed and investigated for diverse purposes; waveform preservation of the Stokes wave, cross type optical isolator assisted by a prepulse, and optical imaging to restore the high spatial frequency. It is well known that the pulse which is reflected from the medium breeding SBS has a steep rising edge. This deformation of the SBS wave can cause the optical breakdown in the optical components. Therefore preserving the temporal waveform of the SBS wave is essentiality required to prevent this problem induced by the waveform deformation. Through the experiment, it has been found that the temporal SBS waveform is successfully preserved by using a prepulse. The SBS waveform depends on both prepulse energy and a time delay between the prepulse and the main pulse. The SBS waveform is well preserved under the experimental conditions of a prepulse energy of 5 mJ and a time delay of 5 ns. This work physically proves that pulse deformation for SBS can be attributed to losing its own energy to build the acoustic grating. And, the prepulse technique has been directly applied to cross type optical isolator using the SBS-phase conjugate mirrors (SBS-PCMs), and the effect of the prepulse has been investigated. The cross type optical isolator using the SBS-PCMs has many advantages such as perfect isolation of backward leak beams, natural compensation of the distorted beams, and easy alignment in comparison to other conventional scheme. At the experiment, the original cross type optical isolator using the SBS-PCMs has been assisted by a prepulse since multiple SBS-PCMs are employed in series. Consequently, the optical breakdown has been successfully compensated at the second SBS-PCM by using a prepulse injection. This work physically proves that the prepulse technique is helpful for any system employing multiple SBS-PCMs. Also, it has been found that the threshold energy for SBS process becomes lower by a prepulse than the case with no prepulse. The SBS threshold energy is about 2 mJ for the SBS medium used in the experiment at the normal SBS scheme. However, SBS has been generated near almost zero threshold energy when prepulse energy larger than 5 mJ is injected with a time delay of 5 ns. In addition, the optical imaging method has been investigated. The SBS method is a candidate for application to optical imaging since it generates phase-conjugate waves. However, unfortunately, the high frequency of the input signals generally cannot be recovered because of the necessary energy to generate the acoustic grating. Some of the energy of the input pulse has to consume its own energy to build up the acoustic grating so that the high frequency of the input pulse vanishes faster than the low frequency. Through the experiment, however, it has been shown that the prepulse technique is also useful for restoring the high spatial frequency of optical images. Although the normalized amplitude shows 0.27 for the normal SBS process, this value has become as strong as 0.38 when the prepulse is injected at a spatial frequency of 0.027 $mm^{-1}$. Therefore the amplitude has been increased by 41% [(0.38-0.27)/0.27] compared to the normal SBS process. This work physically proves that the spatial frequency can be restored by not losing its energy to generate the acoustic grating by a prepulse. The prepulse technique is relatively simple so that this method can be applied to a system employing multiple SBS-PCMs in series and the most systems using the optical image by the SBS process.
본 논문에서는 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin Scattering; SBS)에서의 전단펄스(Prepulse) 효과에 대한 연구가 수행되었으며 SBS산란파의 파형 보존, 십자형 광 고립계, SBS에 의해 형성된 이미지에서의 고주파 항 복원 등의 다양한 분야로의 응용 가능성에 대한 연구가 진행 되었다. 일반적으로 SBS파는 가파르게 증가하는 앞 단의 형태를 갖는 시간적으로 변형 된 파형을 보인다는 것은 잘 알려져 있는 사실이다. 하지만 이러한 파형 변화는 광 소자, 유도 브릴루앙 산란 매질 등에 광 손상을 초래 할 수 있으므로 SBS파의 파형 보존은 필수적이며 결과적으로 전단펄스기술이 SBS파형을 보존 시키는데 효과적임을 확인하였다. 반사된 SBS파의 파형 보존은 전단펄스 에너지 양과 주 펄스와 전단펄스간의 시간 지연에 의존함을 알아내었으며 물리적으로는 SBS파의 파형 변형이 음파 격자 생성을 위해 자신의 에너지를 소모하기 때문임을 증명하였다. 그리고 이러한 전단 펄스 기술은 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울(Stimulated Brillouin Scattering-Phase Conjugate Mirror; SBS-PCM)이 사용된 십자형 광 고립계에 직접적으로 적용 되었으며 결과적으로 전단펄스 주입으로 인해 SBS-PCM내의 광 손상 현상이 방지되는 효과를 줄 수 있음을 확인하였다. 이 결과로부터 구성된 SBS-PCM을 사용한 십자형 광 고립계뿐 아니라 하나 이상의 SBS-PCM을 사용하는 어떠한 구성에도 전단펄스 기술이 효과적으로 쓰일 수 있음을 확인하였다. 또한 SBS에 의해 형성된 이미지의 고주파 항 복원 실험에 있어서는 일반적인 SBS현상의 경우 입사파의 에너지 손실로 인해 입사파의 공간 고주파 항이 소멸 되는데 입사파의 공간 고주파 항의 소멸을 보상하는 데에도 전단펄스가 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다. 따라서 물리적 관점에서 음파 격자 생성을 위해 주 펄스에서 소멸 되었던 고주파 항들이 전단펄스로 인해 보상되었음을 알 수 있었다. 결론적으로 본 논문에서 수행된 연구들은 SBS현상을 보다 깊이 이해하는데 도움을 줄 것이며 하나 이상의 SBS-PCM을 직렬로 사용하는 구성이나 SBS에 의해 고품질의 이미지를 얻고자 하는 구성에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
