大口径掺钛蓝宝石晶体放大的实验研究

"卷!第#期!第!

**+年#月!)强激光与粒子束,-.,/0123456235(7/538-942:25;6$%&’!"!(%’#!!;?#)))**+*#>*#@+>*?!!

大口径掺钛蓝宝石晶体放大的实验研究

)曾小明!!!!魏晓峰!!!黄小军!!!周凯南!!!王晓东!!!朱启华!!"

刘兰琴!!!王!逍!!!楚晓亮!!!郭!仪!!!林东辉!!!彭翰生!

"中国工程物理研究院激光聚变研究中心!四川绵阳A#!!)!@**$)!@**!)!中国工程物理研究院研究生部!四川绵阳A

对大口径钛宝石晶体中的泵浦光能量密度B*CC的钛宝石晶体内的增益特性!!!摘!要!!分析了口径为!

和泵浦光口径进行了优化设计%对于!最佳工作光束口径为!泵浦能量为+B*CCD!"CC的晶体!++CC!*

$对于!最佳工作光束口径为!泵浦能量为@!且其横向小信号增益远小于EB*CCD#*CC的晶体!A*CC!*E

和寄生振荡采用折射率B*CCD!"CC晶体的%对影响大口径钛宝石晶体放大的横向放大自发辐射"562#!

匹配的包边技术进行了抑制%实验表明!该方法把允许横向增益从!#提高到了)!**%实验系统为!**E绿光

台面泵浦激光器!!**81主放大器采用四程空间构型放大光路%!B*CCD!"CC钛宝石晶体!轴水平放置!

泵浦光和主激光均为水平偏振%当以泵浦光能量为?注入信号光能量为!’!@E对主放大器进行双端泵浦!)E

光束口径!获得了!A*CC时!?’)E的放大光输出和)BA81的最高峰值功率%

562#!!关键词!!掺钛蓝宝石$!寄生振荡$!放大自发辐射"

)?B’!!!!!文献标识码!!!中图分类号!!8(!5

@B+年;%F=%F等人提出啁啾脉!!超短激光脉冲放大技术的研究一直是最令人感兴趣的内容之一%自从!

!’冲放大"的概念以来&!超短脉冲激光的峰值功率得到迅速提高!特别是!9/5#@@*年6HIJH等人在掺钛蓝宝G

)’石激光中发现自锁模现象后&!锁模钛宝石振荡器的输出脉宽可小于!!再结合钛宝石晶体的高增益(高储*KL

#’能密度(宽增益谱(大尺寸(高质量的特性!目前全钛宝石放大系统的最大峰值功率已接近/1量级&%利用大

口径钛宝石晶体进行放大时!晶体的横向增益非常高!因此必须想办法抑制晶体的横向5钛宝石晶62%另外!体的上能级寿命只有#’!吸收峰值位于+不能利用常规的闪光灯技术进行泵浦!需)"L**IC的绿光波长处!

要专门的脉冲激光器对其进行泵浦%针对上述问题!本文介绍了利用自行研制的一套!**E绿光台面泵浦源

研究了大口径钛宝石晶体放大时的泵浦能激光器对一块!B*CC口径的掺钛钛宝石晶体进行泵浦放大实验!

量(放大口径(晶体参数对放大输出能量及5把62的影响%并利用折射率匹配的高分子材料对晶体进行包边!

有效抑制了放大自发辐射"和横向寄生振荡%在泵浦光能量为?允许横向增益从!#提高到)!**!562#@E的

得到了!情况下!?’)E的主激光输出%

"!大口径钛宝石晶体内的增益分布

在初始时刻可以忽略钛宝石晶体内的5L量级激光脉冲对钛宝石晶体进行泵浦时!62对上能级粒!!利用I

子数的影响!并结合大能量钕玻璃放大系统!输出光斑一般为空间近似均匀分布!时域近似高斯分布%我们设定泵浦光空间均匀分布情况时!对钛宝石晶体沿纵向进行分片处理!利用方程组"可以模拟计算钛宝石晶体!#

内的初始粒子数分布和信号增益分布%

"#(##&&&!!’%HHG&"*"##$))*"G

+*"##$"*"###"#!

L"#*%MI#%L)’++"##$I!’&H+*"##&!"#%MI#

式中,表示钛宝石晶体内的初始上能级粒子数分布$"*"##*为泵浦光光斑面!是晶体对泵浦光的吸收系数$

积$为晶体内#处的小信号增益系数$为在一定%G为泵浦光能量$(为晶体厚度$+*"##+"##"G为泵浦光频率$

)输入光强下在晶体内#处的增益系数!一般取%LN!E*$为晶体%L为钛宝石晶体的饱和能量密度!JC%##MI"

内#处的输入能量密度%

)**?>*@>#*$)**+>*!>!#"收稿日期!!!修订日期!

基金项目!中国工程物理研究院基金资助课题

曾小明"!男!硕士研究生!主要从事强激光技术研究$绵阳@,作者简介!!@"#-#!@>@BB信箱$2>C

+"%强激光与粒子束第!2卷

!泵浦口径为%单向泵浦和双向泵浦时!小信号增益系#$&’’!!!图!所示为钛宝石晶体在泵浦光能量为"

#$是在钛宝石晶体参数为!吸收系数为!,#-晶数随晶体厚度的变化情况"图!()#’’*+#’’!)./’0!时!

体内的小信号增益分布"图!#$是在钛宝石晶体参数为!吸收系数为!,!-晶1)#’’*!2’’!./’0!时!体内的小信号增益分布"从图!可以看出!在单向泵浦时!晶体沉积的能量密度按指数曲线变化!从而引起沿晶体纵向的增益分布非常不均匀!因而通常采用双面泵浦钛宝石来改善钛宝石晶体纵向的增益均匀性和降低

晶体表面处的小信号增益系数也远高于晶体中间部分钛宝石晶体表面的粒子数密度"但即使在双向泵浦时!

的小信号增益系数!因此!随着泵浦能量密度的增加!会最先在晶体表面处产生自激振荡"钛宝石晶体折射率

#5"为!远高于光学玻璃的!-如果钛宝石边缘没有处理!菲涅耳反射约2-由!!!532%!.!%4!6,!#!!!!5分别

5-.%为晶体表面的反射率!!即当横向增益达到6#时就会产生自激振荡!将严重消耗晶体!!$!5,2-%4$+$"!

中的上能级粒子数!降低信号光的放大倍数"为了抑制或消除钛宝石晶体的横向寄生振荡!人们通常采取如下

&"%(几种措施%在晶体侧面涂黑或磨毛&镀减反膜&折射率匹配包边等’"我们采用了与钛宝石折射率相近的热

2(塑胶对钛宝石进行包边处理’!该胶的折射率为!-波长为)!包边后钛宝石界面的反射率为#-%)&"###7’$

寄生振荡增益的阈值增加到5!在光斑口径为!它&2.8!##"对于!)#’’*!2’’的钛宝石晶体!%&’’时!可允许泵浦光能量从不包边的!大大提高了百太瓦主放大级的输出)$提高到%#$而不产生明显的自激振荡!

能量"另外!把钛宝石晶体的边缘加工成锯齿状以防止9也有助于抑制横向自激

":;形成闭合回路!

>F>

图!!单向泵浦和双向泵浦时晶体内小信号增益系数变化曲线

!!泵浦能量密度的优化设计

在对泵浦光总的能量吸收相同的情况下!选用厚度不同的晶体进行了模拟计算"若泵浦能量!!如图5所示!

密度偏高!则易损伤晶体和加大横向9若泵浦能量密度偏低!将引起增益不够和转换效率偏低"为了提高:;)

大口径钛宝石晶体放大的输出能量和转换效率!需要对泵浦光能量和光斑口径进行优化"由前部分分析可知钛宝石晶体在经过包边后横向增益小于5!此时若忽略9##倍时不会产生自激!:;对上能级粒子数消耗的影响!针对不同参数的钛宝石晶体!可以确定钛宝石晶体的最佳泵浦能量和工作口径"从图5#$和图5#可以(1$看出!最佳工作光束口径为!泵浦能量.)当信号光注入能量为!$时!能)#’’*!2’’的晶体!..’’!#$!

量转换效率接近+#$和图5#$则可以看出!最佳工作光束口径为!54"而从图5/H)#’’*+#’’的晶体!%#!

泵浦能量")当信号光注入能量为!$时!能量转换效率接近&在相同泵浦能量条’’!#$54"计算结果表明!

件下!在具有相同横向增益倍数的)#’’*+#’’晶体的横向小信号增益远小于!)#’’*!2’’的晶体)!

条件下!为了更好地抑制晶体横向自激和9提高总的输出能量及泵浦光到信号光的转换效率!可以适当增:;!

加晶体的厚度&降低晶体的吸收系数及增加泵浦光口径"如选用!计算表明可以承受")#’’*+#’’晶体!#$以上的泵浦能量和接近&#$的信号光放大输出"

"!大口径钛宝石的放大实验

!该激光装置设计简单&紧凑&实##$绿光台面泵浦源激光器#!##IJ泵浦源系统$!!我们自行研制了一套!

用!已实现了能源模块化&水冷模块化&激光前端系统模块化"该泵浦源系统利用商业化的单纵模:9K9L:作

(=7(7HA@DEL(CC(’?=A=6E@DBDB676EC(AD7/B=@7@A16(’H=(’6B6

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+")强激光与粒子束第!2卷吸收系数!降低储能密度来降低晶体横向增益来抑制横向自激和9:;"在对!)#’’*!2’’的钛宝石晶体

在注入信号光能量为!-!泵浦绿光为&获得了!即放大信号包边后进行放大实验!5$"$时!&-5$的主激光#

光$能量和5预期在近期将进)%IJ的国内最高峰值功率输出"该装置的进一步实验和参数优化正在进行中!

一步提高脉冲输出能量和峰值功率"

参考文献!

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