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超快激光器
飞秒放大器实现更高的功率输出
材料来源:激光世界           录入时间:2010-10-11 16:35:54

先进的超快放大器无需低温冷却系统即可在交钥匙系统中实现高重复频率、高功率和高光束质量的激光输出。

Steve ButcherMarco ArrigoniCoherent公司

物理和化学领域内的多种应用驱动了对于超快放大器的需求。超快放大器可以以更高的重复频率和平均功率传递飞秒脉冲,从而提高信号的信噪比并减少数据采集时间。要在不牺牲脉宽、光束质量、操作简便性和可靠性的前提下实现这些性能,对研究人员来说是一个巨大的挑战。通过最近的设计改进,研究人员研制出了一套只需对掺钛蓝宝石增益介质进行热电冷却 ,就可使平均输出功率高达15 W的系统。在此之前,由于可实现同样输出功率的超快放大器需要低温冷却,因此整个系统不但结构复杂,而且体积庞大。

功率要求

基于掺钛蓝宝石的锁模激光振荡器的出现,为超快激光应用带来了一场革命,它大大简化了获得飞秒脉冲的难度。典型的掺钛蓝宝石振荡器的平均输出功率高达2~4W。重复频率为50~100MHz时,根据脉冲宽度,脉冲能量最多为几十纳焦,峰值功率为500kW。

许多应用要求更高的脉冲能量和峰值功率,啁啾脉冲放大可以解决这个问题。振荡器的输出脉冲预先通过脉冲选择装置被展宽,然后被另外一个掺钛蓝宝石晶体放大几个数量级,将脉冲宽度压缩到初始脉冲宽度那样窄。

针对固体物理和光化学领域的泵浦-探针研究,可使用放大的飞秒脉冲泵浦一个或多个可调谐的光学参量放大器(OPA)。还可以在成像和光谱学研究中,利用其生成太赫兹脉冲。最近,具有载波包络相位(CEP)稳定性的放大系统实现了极紫外线(4~30nm)波长的阿秒脉冲。阿秒脉冲的波长非常短,足以用于研究原子和分子中电子的动态。

很多这类应用会包含一个或多个串联或并联的非线性转换级(参量转换或其他效应),但转换效率通常比较低。增加放大器每个脉冲的输出能量,可以有效地同时驱动多个高能量非线性级。

热透镜效应

阻碍超快放大器系统输出更高功率的最大障碍是增益晶体中的热透镜效应。即使采用激光泵浦,超过75%的泵浦功率会被转换成热量。端面泵浦掺钛蓝宝石棒可以使泵浦功率沿径向分布,而最大泵浦功率强度位于增益介质的中心线上。掺钛蓝宝石晶体中的局域热量分布与泵浦光强度的分布一致,并且沿晶体表面向内实现冷却温度的传导,最终导致径向热梯度垂直于激光束方向(见图1)。即使泵浦光的功率只有10W,光束腰只有50μm,也可以产生超过50屈光度的热透镜。如果采用40W以上的激光脉冲泵浦,热透镜效应将成为设计时所面临的最大挑战。

图1:利用圆形光束端面泵浦掺钛蓝宝石激光棒可以产生径向热梯度,产生的效果和球面镜相当。

可以采用几种方法冷却掺钛蓝宝石晶体,从而降低热透镜效应的强度。然而不幸的是,这些方法的冷却效果与其成本和复杂性成正比。被动传导冷却是最简单的方法,其次是水冷。这两种方法在输出功率为3~4W时有效。在更高性能的放大器系统中,通常采用热电冷却器为掺钛蓝宝石晶体降温,但直到最近,这一方法能适用的最大平均功率也只有7~8 W。

最终的方法是采用低温冷却技术。在低温条件下,掺钛蓝宝石的导热性增加了约40倍,折射率对温度的依赖性下降了一个数量级。这两种效应所带来的最终结果是将温度为330K的掺钛蓝宝石和温度降至77K的掺钛蓝宝石之间的热透镜效应降低约400倍。到目前为止,输出功率为几瓦的放大器均采用低温制冷,其缺点是成本较高、系统较复杂。

15W的系统

利用多种技术制成一个15W的放大器,该放大器具有和3~4W级系统相同的简易性和光束质量。

研究人员采用复合型方案确保再生放大器的光束质量,该方案无需低温冷却,从而降低了系统的成本和复杂性。在该方案中,Coherent公司的Legend Duo HP在同一盒体中先后放置了正反馈放大器和单程放大级,为两块掺钛蓝宝石晶体提供热电冷却。

这种方法和传统的多程放大技术是有区别的。在多程放大系统中,输入脉冲通过晶体约10到15次,每次通过的角度会有轻微的不同,但会与泵浦光束部分重叠。因此多程放大系统不但光学结构复杂,而且输出光束质量也比种子光差。相比之下,再生放大器是一种高增益激光腔,种子激光脉冲在腔中多次往返的过程中被放大,当达到增益饱和时就从腔中输出(见图2)。放大器的输出光束特性其主要取决于单腔的设计,与种子激光器无关,因此可以产生近乎完美的TEM00模,具有稳定的执行特性,适用于下游的非线性生成过程。额外的单程功率放大器结构简单,同时可以保持再生放大器的输出光束质量。

 图2:在再生放大器中,注入的脉冲多次通过放大器腔,然后通过一个声光开关输出。

利用位于两块掺钛蓝宝石晶体之间的集成的泵浦激光器分束器,该单程再生放大器在频率为1kHz时,输出功率超过8W,在频率为5kHz时,输出功率超过12.5W。由于含有高泵浦功率,因此很难忽视热透镜效应。但是通过对晶体进行优化设计,采用特殊形状的较平坦的大尺寸晶体代替传统的圆柱型激光棒,可以将低热透镜效应降低到可以控制的水平。然后,热电冷却器通过扁平型表面对晶体进行冷却。

为了将再生放大器的输出功率提高到15W,研究人员增加了一个外部泵浦激光器。该单程的再生放大器的光学结构无本质上的变化,但在重复频率为1kHz、5kHz和10kHz时,输出功率分别提高到15W、10W和12W。采用一个或两个泵浦激光器,其单程的末端放大器级并不影响光束方向和TEM00光束的形状,这是再生放大器的主要特点。实验结果表明,复合型方案是最佳的方案(见图3)。当光束通过的次数从1次增加到2次时,超快放大器的输出功率稳步增加了约20%,但是光束的M2值增加了近100%。在单程装置中保持较低的M2值,该放大器兼具光学光学结构简单、输出效率高的特点;同时具有理想的光束参数特性,可将其聚焦于空心光纤内径中或者泵浦多个高能量OPA;此外,它还消除了对复杂的低温冷却系统的需求(见图4)。

                                      

 

图3:使用单程放大器(SPA)提高再生放大器的输出功率,尽管光束通过两次,但由于只经历一次热畸变,因此光束质量获得了极大的提高。

 

图4:高光束质量可以使参量放大、谐波产生、连续光谱产生等非线性过程实现更高的效率和光束质量。当放大的脉冲聚焦到一块蓝宝石板(或空心光纤)上时,级联非线性效应可以产生超连续光谱。该图为超连续光通过自然衍射的色散图。

通常,根据单个脉冲能量、重复频率和光束质量等参数选择超快放大器。随着实验复杂程度的提高,超快放大器的可靠性和易用性变得越来越重要。对超快放大器设计的进一步改进有忘提高其灵活性和性能,从而使得结构和操作变得更加简单。


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