Nd,Gd:SrF2 晶體材料在寬帶放大中的光譜增益特性*

蔣東鑌 張穎 姜大朋 朱斌 李綱 孫立 黃征盧峰 謝娜 周凱南? 粟敬欽?

1) (中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

2) (中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所,上海 201899)

光譜的增益窄化是影響超短脈沖寬帶放大的關(guān)鍵因素之一.本文利用Nd,Gd:SrF2 晶體發(fā)射光譜的特點,開展了寬帶放大中的光譜增益特性理論和實驗的研究.通過數(shù)值模擬,詳細研究了激光增益介質(zhì)在不同的光譜增益線型及不同增益倍數(shù)下,輸出光譜的演化規(guī)律.Nd,Gd:SrF2 晶體光譜增益窄化特性研究實驗結(jié)果表明,輸入光譜半高寬為5 nm 時,在140 倍的增益條件下,Nd,Gd:SrF2 晶體的輸出光譜寬度未見明顯窄化,實驗結(jié)果與理論計算分析相符合.研究結(jié)果為氟化物晶體在寬帶啁啾脈沖放大的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

1 引言

當(dāng)前,超短脈沖激光技術(shù)發(fā)展的趨勢是更窄的脈沖寬度、更高的單脈沖能量以及更高的輸出功率.要實現(xiàn)這些技術(shù)要求,激光增益介質(zhì)的選擇是關(guān)鍵技術(shù)條件之一.目前常用的產(chǎn)生1 μm 波段的激光介質(zhì)主要有: Nd:YAG,Nd:YLF 及Nd:Glass等材料.其中Nd:YAG 與Nd:YLF 的增益高、導(dǎo)熱性好,但受制于尺寸及增益帶寬,其輸出能量有限,且輸出光譜寬度只能支持數(shù)皮秒至數(shù)十皮秒的短脈沖輸出;Nd:Glass 具有較寬的增益帶寬和較大的尺寸,但其較差的熱性能,限制了激光器在重復(fù)頻率下的運行[1].因此選擇一種既要有良好的熱導(dǎo)性,又要有較寬受激發(fā)射光譜帶寬的激光材料具有重要的科學(xué)應(yīng)用價值.新生的雙摻氟化物晶體具有較高的熱導(dǎo)率、較寬的發(fā)射光譜、較低的折射率及能生長出較大尺寸的特點,是一種比較有潛力應(yīng)用到大功率超短脈沖寬帶重頻激光中的晶體.

在寬帶高能激光放大系統(tǒng)中,增益窄化與增益介質(zhì)的熱性能是制約超短脈沖寬帶重頻放大的主要因素.克服增益窄化效應(yīng)方式一種是對種子激光進行整形[2–5];另一種是增加增益介質(zhì)的發(fā)射光譜帶寬,一般是指半高寬(full width at half maximum,FWHM),像釹玻璃的發(fā)射光譜類似于高斯型,其半高寬相對較寬,但是其最大受激發(fā)射截面處的光譜并不是很“寬”,仍然存在增益窄化的效應(yīng).因此,增大最大受激發(fā)射截面處的光譜帶寬,將是克服增益窄化效應(yīng)一種有效的方法.Gaul 等[6]采用混合玻璃(硅酸鹽與磷酸鹽玻璃)作為放大器的增益介質(zhì),就是利用了兩種玻璃的不同受激發(fā)射光譜來增大最大受激發(fā)射截面處的光譜帶寬.目前雙摻氟化物晶體具有發(fā)射光譜可控的特性,可根據(jù)不同摻雜得到不同發(fā)射光譜的氟化物晶體(雙峰或近似平頂).關(guān)于氟化物晶體的光學(xué)特性[7,8],以及氟化物晶體作為激光增益介質(zhì)產(chǎn)生超短脈沖[9]與窄帶下的增益放大均有詳細報道[10,11].本文利用Nd,Gd: SrF2晶體在較高的受激發(fā)射截面處有一定寬度光譜的特點,開展寬帶光譜增益窄化的理論分析及實驗研究.

2 理論分析計算

由于氟化物晶格中存在多種不同的電荷補償方式,摻入三價稀土離子后,晶格中的三價稀土離子會形成各種各樣的對稱格位,結(jié)果就會形成較寬的吸收和發(fā)射光譜,但是單摻Nd3+的氟化物晶體會產(chǎn)生團簇效應(yīng),進而產(chǎn)生濃度淬滅的現(xiàn)象.為解決這一現(xiàn)象,通常是往摻雜Nd3+的氟化物晶體中加入緩沖離子,如: Y3+,Gd3+等離子,來抑制晶體的團簇效應(yīng),雙摻的氟化物晶體具有較高的受激發(fā)射截面,較寬的吸收與發(fā)射光譜,有利于多種泵浦方式及超短脈沖的產(chǎn)生及放大[12–14].目前,雙摻氟化物晶體具有雙峰發(fā)射光譜特征,這為發(fā)射光譜最高處提供了一定的光譜寬度,本文利用這個特點開展寬帶光譜增益窄化的理論實驗研究.

種子激光進入放大器后,盡管傳統(tǒng)放大器增益介質(zhì)(具有高斯增益線型)的發(fā)射光譜半高帶寬較寬,但只有在增益光譜中心附近才有最大的受激發(fā)射截面,因此種子脈沖經(jīng)增益介質(zhì)放大后光譜中心部分會被充分放大,光譜兩邊的部分不能被充分放大,這就是我們常說的光譜增益窄化[15].

以高斯增益線型的發(fā)射光譜為基礎(chǔ)進行模擬,注入激光的中心波長為1053 nm,光譜寬度設(shè)為8 nm,增益介質(zhì)的總增益倍數(shù)為10—1000 倍,模型中不考慮增益飽和.小信號增益表達式為[16]

其中λ0為中心波長,λ0=1053 nm,ΔλFWHM為半高全寬.激光在增益介質(zhì)中獲得的總增益為

對于線性啁啾脈沖,光譜形狀I(lǐng)(λ) 和時間波形I(λ) 相同,假設(shè)入射光譜表示為Iin(λ),則輸出光譜表示為

對不同增益線型的發(fā)射光譜、不同增益倍數(shù)下,對寬帶啁啾激光脈沖的增益窄化效應(yīng)進行了模擬.模擬輸入寬帶啁啾激光脈沖的光譜分布如圖1所示,中心波長1053 nm,光譜帶寬8 nm 的平頂脈沖.在3 種不同增益線型的發(fā)射光譜下,寬帶啁啾激光脈沖的增益窄化情況,如圖2 所示,第1 種增益線形的發(fā)射光譜為高斯型,中心波長為1053 nm,帶寬(FWHM)為 23 nm;第2 種增益線形是在第1 種材料發(fā)射光譜的基礎(chǔ)上,將中心波長兩側(cè)8 nm 寬度改為平頂分布;第3 種增益線形是在第1 種材料發(fā)射光譜中心波長位置處兩邊分開為雙峰線形(兩峰間距8 nm).

圖1 模擬輸入激光脈沖光譜分布Fig.1.Input laser spectrum of simulation.

圖2 三種不同材料的發(fā)射光譜和不同增益下的輸出脈沖光譜分布Fig.2.Emission spectrum of three different materials and their output spectrum with different gain.

據(jù)圖2 模擬計算顯示,在傳統(tǒng)高斯增益線形發(fā)射光譜下,激光光譜窄化現(xiàn)象隨增益倍數(shù)的增加而越加明顯;具有一定平頂寬度的發(fā)射光譜,隨著增益倍數(shù)的增加,寬帶光譜幾乎保持不變,可以說對寬帶激光放大的增益窄化效應(yīng)有明顯的改善;雙峰形狀的發(fā)射光譜,在增益倍數(shù)較低的情況下,寬帶激光的光譜整體寬度變化不大,中心光譜會有一定的凹陷,但是隨著增益倍數(shù)的增加,光譜中間就會產(chǎn)生較深的光譜調(diào)制,文獻[17]中寬帶光譜經(jīng)再生放大后產(chǎn)生了相同的現(xiàn)象,如要采用這種形狀的發(fā)射光譜,其發(fā)射光譜的調(diào)制不能太深及放大器的增益具體還要進一步優(yōu)化.

3 實驗結(jié)果及分析

采用兩根Ф13 mm×150 mm 的Nd,Gd:SrF2(0.5%Nd,5%Gd: SrF2摻釹、釓離子氟化鍶)晶體串聯(lián)作為增益介質(zhì),其吸收及發(fā)射光譜如圖3 和圖4 所示.從其吸收光譜來看,既適用于二極管泵浦又適用于氙燈泵浦,其具有較高的受激發(fā)射截面(5×10–20cm2),雖然發(fā)射光譜的半高寬只有17 nm,小于傳統(tǒng)釹玻璃的發(fā)射光譜(半高寬約20 nm),但其發(fā)射峰有兩個,分別為1052 nm 和1059 nm,峰峰之間約有7 nm 的寬度,仍然可作為寬帶增益測試研究材料.

圖3 Nd,Gd:SrF2 晶體吸收光譜Fig.3.Absorption spectrum of the Nd,Gd:SrF2 crystal.

圖4 Nd,Gd: SrF2 晶體發(fā)射光譜Fig.4.Emission spectrum of the Nd,Gd:SrF2 crystal.

Assmann 和Weikum[18]提出了重復(fù)頻率在20 Hz 以下時,氙燈泵浦技術(shù)在激光器的建造和運維成本上較二極管泵浦技術(shù)是有優(yōu)勢的.本實驗測試光路采用棒狀氙燈泵浦放大器、雙通放大結(jié)構(gòu),利用5 nm (FWHM)的寬帶光作為種子光源,對Nd,Gd: SrF2晶體的光譜增益窄化特性進行了測試,測試光路示意圖如圖5 所示.

系統(tǒng)泵浦能量約為1770 J (泵浦電壓1850 V)時,注入激光約50 μJ,雙程增益為140 倍,輸入寬帶光(半高寬約5 nm)進行測試,實驗結(jié)果如圖6 和圖7 所示,圖6 給出了輸出激光光譜是在不同增益條件下衰減60 倍所測的數(shù)據(jù);圖7 為實測(0.2 Hz,1 Hz)和理論計算增益與泵浦電壓的關(guān)系圖.

圖6 不同增益光譜為5 nm (FWHM)時輸入輸出圖Fig.6.Input and output diagram with the different gain spectra of 5 nm (FWHM).

圖7 增益與泵浦電壓的關(guān)系Fig.7.Gain changing with different pump voltage.

測試結(jié)果得出,輸入激光帶寬5 nm,經(jīng)最大140 倍增益放大后,光譜寬度未見明顯增益窄化,與前期理論計算相符合.由于Nd,Gd:SrF2晶體發(fā)射光譜具有雙峰,在短波方向(1052 nm)處具有較高的發(fā)射截面,激光放大后輸出的光譜在短波處要高于長波處,隨著增益倍數(shù)的增大,輸出光譜的形狀將會與理論計算圖2(c)的類型相符合.在增益測試中,0.2 Hz 和1 Hz 均可正常工作,受熱效應(yīng)的影響,隨著泵浦能量和重復(fù)頻率的增大,增益會有一定的下降.

4 結(jié)論

本文對Nd,Gd:SrF2晶體在寬帶放大中的光譜增益特性進行了理論模擬,理論計算表明傳統(tǒng)高斯型發(fā)射光譜線型隨著增益倍數(shù)的增加,光譜增益窄化現(xiàn)象明顯,增加最大受激發(fā)射截面處光譜帶寬的發(fā)射光譜線型,對光譜增益窄化的現(xiàn)象有明顯的改善,特別是具有平頂(或近似平頂)的發(fā)射光譜.同時開展了0.5%Nd,5%Gd:SrF2晶體寬帶增益窄化實驗研究,輸入光譜帶寬為5 nm (FWHM),最大140 倍的增益條件下,輸出光譜寬度未見明顯窄化.其實驗結(jié)果與理論計算分析相符合,在一定的增益范圍內(nèi),氟化鍶晶體對寬帶激光的光譜具有保形的作用.氟化物晶體作為寬帶激光增益介質(zhì)具有良好的研究前景.