激光自注入放大技術的實驗研究

鄭 奇,孫 智

(1.湖北民族學院 科技學院,湖北 恩施 445000;2.湖北民族學院 理學院,湖北 恩施 445000;3.國電恩施水電開發(fā)有限公司,湖北 恩施 445000)

激光自注入放大技術的實驗研究

鄭 奇1，2,孫 智3

(1.湖北民族學院 科技學院,湖北 恩施 445000;2.湖北民族學院 理學院,湖北 恩施 445000;3.國電恩施水電開發(fā)有限公司,湖北 恩施 445000)

分析了激光自注入放大技術過程中需各種因素對輸出光性能參量的影響，通過實驗過程研究尋找出最佳的放大器結構參量選擇設計，證實自注入放大方法的實效即實現(xiàn)理想激光光放大，輸出飛秒級超短脈沖激光，為激光器放大器設計提供了指導.

自注入放大技術；高功率；窄脈沖；穩(wěn)定性

實際應用中的激光器在很多情況下需要高能量輸出，如激光器核聚變、激光加工，激光雷達、乃至激光作為長距離光通信光源.為了提高輸出功率而采用了長腔設計[1]，而這樣卻會造成使激光器光束發(fā)散角增大、單色性降低、脈沖寬度變寬、以及調(diào)制性能變差等問題；再就是利用調(diào)Q技術獲得高峰值輸出功率，但這僅僅是脈沖功率增大而不是激光實際輸出功率增大.因此實際中使用激光放大技術來提高激光器輸出能量，激光放大器不需要自身具有諧振腔，選擇與入射待放大激光增益譜線相重合的、能及結構相匹配的放大增益介質產(chǎn)生強烈的受激輻射，與原激光輻射疊加將產(chǎn)生比原激光光強大得多的出射激光束[2-3].而如果在放大過程中設計使用振蕩器-多級放大方式，將可能靈活運用振蕩器決定輸出激光的脈沖寬度、光束發(fā)散角和激光譜線寬度，又利用多級放大縮短每級工作位置的長度，在輸出高功率高亮度激光的同時又防止發(fā)生超輻射和自聚焦等破壞現(xiàn)象，以此獲得性能優(yōu)異的激光輸出特性又能大程度的提高輸出光亮度.

1 自注入激光放大器的基本設計方案

實際上，激光放大的過程與激光震蕩產(chǎn)生受激放大形成激光輸出的物理過程是相同的，但其特點是沒有諧振腔.其關鍵在于放大介質的選擇，放大介質的增益譜線要與入射光的頻率重合以及匹配的能及結構.再生式放大是將某一質量優(yōu)良的微弱信號作為“種籽”，用其參與到需要放大的激光器震蕩中控制激光震蕩的產(chǎn)生.這個“種籽”如果是來自需要放大的激光外界的脈沖信號其稱作外注入放大；而如果這個“種籽”是來自需要放大的激光本身產(chǎn)生的，再把此信號自注入到激光器諧振腔內(nèi)實現(xiàn)再生放大，這就是自注入放大.自注入放大在實際中非常顯著的特點就是可以大幅度縮小激光器系統(tǒng)的體積，這種放大方法最適合于高能量短脈沖輸出的固體激光器輸出放大.如圖1示出了實驗中采用的一種腔內(nèi)自注入放大裝置的動作原理示意.在實驗室平臺上，在一個設計好的開放退壓式調(diào)Q激光器中加入一個泡克爾斯盒PCx，這樣以來它將作為產(chǎn)生注入放大的“種籽”脈沖，與其相對應的泡克爾斯盒PC為調(diào)Q器件.M1和M2為兩個腔鏡，其反射性既提供激光器諧振腔本身的增益放大，同時提供放大信號的反饋.

圖1 激光自注入放大原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser amplification technique

在激光器工作之初，激光工作物質在激勵光源照射下儲能期間，在泡克爾斯盒調(diào)Q器件PC上加載電壓V，這時激光諧振腔不能形成震蕩而處于“閉”狀態(tài)，當激光諧振腔工作物質儲能達到最大時，撤去泡克爾斯盒調(diào)Q器件PC上的1/4波電壓V，于是Q開光將打開產(chǎn)生激光振蕩.考慮到激光振蕩達到峰值前的時間延遲，然后加載半波電壓到泡克爾斯盒PCx上，這時在激光腔內(nèi)L1段的激光經(jīng)過PCX其光偏振方向改變90°后照射到偏振鏡P后偏折逸出腔外.原來L2段內(nèi)的激光振蕩在腔內(nèi)往返一周兩次通過加載了半波電壓的泡克爾斯盒PCx，其方向不會改變并保留在腔內(nèi)成為種籽脈沖反復多次通過激光工作物質Nd2+:YAG進行放大，產(chǎn)生包絡為調(diào)Q波形的序列脈沖經(jīng)由輸出端鏡M2輸出.

表1 自注入放大實驗參數(shù)表

2 實驗

實驗過程采取水冷措施，選則L=220 cm的諧振腔長，L1取20 cm，種籽脈沖脈寬Tg=23fs，選擇延遲時間Td=17 ns.實驗過程中比較關鍵的一點是要適當?shù)目刂茝腝開關打開到半波電壓加載到泡克爾斯盒PCx上的延遲時間Td，如果在自注入放大過程中該時間設置大的話，受激輻射的優(yōu)勢凸顯形成高的信噪比[6]，但是該時間如果大于了激光臨界雪崩所需要的延遲時間，將得到的是調(diào)Q激光脈沖.所以應將此時間選擇合適，即在調(diào)Q激光到達峰值之前注入脈沖電壓到泡克爾斯盒PCx上.實驗過程中激光參量見表1.

圖2 自注入放大輸出脈沖光參量圖Fig.2 The output pulse optical parametric drawing

3 結論

實驗結果如圖2，表明通過自注入放大系統(tǒng)后，激光參量均有很大提高圖2(a)(b)(c)(d)四圖分別顯示出經(jīng)放大系統(tǒng)后輸出光的性能.

實驗中是對調(diào)Q激光窄脈沖進行放大，是一種超短脈沖放大裝置.放大器介質原子可能不能立即響應激光作用，必須考慮光子原子相互作用的相位關，其相關理論在很多文獻上均可查閱[7].

實驗結果表明使用自注入放大后輸出的激光脈沖雖然單脈沖能量比較調(diào)Q激光有較小降低，但峰值功率提高很多倍，這正是實際中選擇這一方法目的，即獲取窄脈寬高峰值的優(yōu)良激光脈沖輸出.同時，激光輸出表現(xiàn)出高功率且功率長時間保持穩(wěn)定.

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TheExperimentalResearchofLaserAmplificationTechnique

ZHENG Qi1，2,SUN Zhi3

(1.School of Science and Technology,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;2.School of Science,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;3.Guodian Enshi Hylropowe Development Co.,Ltd,,Enshi 445000,China)

This paper analyzed the effect of various factors on output optical performance parameters in the process of the laser.The best amplifier structure parameters are obtained through the experiment research amplification technique.The method can achiave ideal laser amplification,output femtosecond ultrashort pulse laser and it provides quidance for design of laser amplifier.

laser amplification technique；high power；narrow pulse；stability

2013-08-03.

鄭奇(1975- ), 男, 碩士,主要從事光電子學及物理學的研究.

O432.1+2

A

1008-8423(2013)03-0249-03