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鍵因素之一.本文利用Nd,Gd:SrF2 晶體發射光譜的特點,開展了寬帶放大中的光譜增益特性理論和實驗的研究.通過數值模擬,詳細研究了激光增益介質在不同的光譜增益線型及不同增益倍數下,輸出光譜的演化規律.Nd,Gd:SrF2 晶體光譜增益窄化特性研究實驗結果表明,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,實驗結果與理論計算分析相符合.研究結果為氟化物晶體在寬帶啁啾脈沖放大的應用奠定了基礎.

1 引言

當前,超短脈沖激光技術發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.要實現這些技術要求,激光增益介質的選擇是關鍵技術條件之一.目前常用的產生1 μm 波段的激光介質主要有: 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皮秒至數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頻率下的運行[1].因此選擇一種既要有良好的熱導性,又要有較寬受激發射光譜帶寬的激光材料具有重要的科學應用價值.新生的雙摻氟化物晶體具有較高的熱導率、較寬的發射光譜、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中,增益窄化與增益介質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的發射光譜帶寬,一般是指半高寬(full width at half maximum,FWHM),像釹玻璃的發射光譜類似于高斯型,其半高寬相對較寬,但是其最大受激發射截面處的光譜并不是很“寬”,仍然存在增益窄化的效應.因此,增大最大受激發射截面處的光譜帶寬,將是克服增益窄化效應一種有效的方法.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,就是利用了兩種玻璃的不同受激發射光譜來增大最大受激發射截面處的光譜帶寬.目前雙摻氟化物晶體具有發射光譜可控的特性,可根據不同摻雜得到不同發射光譜的氟化物晶體(雙峰或近似平頂).關于氟化物晶體的光學特性[7,8],以及氟化物晶體作為激光增益介質產生超短脈沖[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,結果就會形成較寬的吸收和發射光譜,但是單摻Nd3+的氟化物晶體會產生團簇效應,進而產生濃度淬滅的現象.為解決這一現象,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,雙摻的氟化物晶體具有較高的受激發射截面,較寬的吸收與發射光譜,有利于多種泵浦方式及超短脈沖的產生及放大[12–14].目前,雙摻氟化物晶體具有雙峰發射光譜特征,這為發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,盡管傳統放大器增益介質(具有高斯增益線型)的發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射截面,因此種子脈沖經增益介質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射光譜為基礎進行模擬,注入激光的中心波長為1053 nm,光譜寬度設為8 nm,增益介質的總增益倍數為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.激光在增益介質中獲得的總增益為

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

對不同增益線型的發射光譜、不同增益倍數下,對寬帶啁啾激光脈沖的增益窄化效應進行了模擬.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 種材料發射光譜的基礎上,將中心波長兩側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.

據圖2 模擬計算顯示,在傳統高斯增益線形發射光譜下,激光光譜窄化現象隨增益倍數的增加而越加明顯;具有一定平頂寬度的發射光譜,隨著增益倍數的增加,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有明顯的改善;雙峰形狀的發射光譜,在增益倍數較低的情況下,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,但是隨著增益倍數的增加,光譜中間就會產生較深的光譜調制,文獻[17]中寬帶光譜經再生放大后產生了相同的現象,如要采用這種形狀的發射光譜,其發射光譜的調制不能太深及放大器的增益具體還要進一步優化.

3 實驗結果及分析

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)晶體串聯作為增益介質,其吸收及發射光譜如圖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射截面(5×10–20cm2),雖然發射光譜的半高寬只有17 nm,小于傳統釹玻璃的發射光譜(半高寬約20 nm),但其發射峰有兩個,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 晶體發射光譜Fig.4.Emission spectrum of the Nd,Gd:SrF2 crystal.

Assmann 和Weikum[18]提出了重復頻率在20 Hz 以下時,氙燈泵浦技術在激光器的建造和運維成本上較二極管泵浦技術是有優勢的.本實驗測試光路采用棒狀氙燈泵浦放大器、雙通放大結構,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 倍所測的數據;圖7 為實測(0.2 Hz,1 Hz)和理論計算增益與泵浦電壓的關系圖.

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系Fig.7.Gain changing with different pump voltage.

測試結果得出,輸入激光帶寬5 nm,經最大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晶體發射光譜具有雙峰,在短波方向(1052 nm)處具有較高的發射截面,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,受熱效應的影響,隨著泵浦能量和重復頻率的增大,增益會有一定的下降.

4 結論

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,理論計算表明傳統高斯型發射光譜線型隨著增益倍數的增加,光譜增益窄化現象明顯,增加最大受激發射截面處光譜帶寬的發射光譜線型,對光譜增益窄化的現象有明顯的改善,特別是具有平頂(或近似平頂)的發射光譜.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.其實驗結果與理論計算分析相符合,在一定的增益范圍內,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具有良好的研究前景.