玻璃激光器和放大器 Glass lasers and amplifiers

2022-11-21 13:45:10 浏览:235

定义

以玻璃为增益介质的固态激光器。

玻璃激光器是那些固体激光器,其中增益介质是激光玻璃,而不是激光晶体或陶瓷激光增益介质。 同样,可以使用这种激光增益介质构建光放大器。

在大多数情况下,激光玻璃掺杂了三价稀土离子,例如 Nd3+, Yb3+, Er3+, Tm3+, Pr3+ 或者 Ho3+ 。最常见的是基于Nd3+-, Yb3+-和Er3+-掺杂硅酸盐或磷酸盐玻璃的激光器和放大器。 

通常,玻璃激光器是体激光器,基于长方体或棒状的固体玻璃片。 然而,光纤激光器也几乎都是基于一些玻璃,这些玻璃被拉入光纤并提供波导。

在极少数情况下,术语玻璃激光具有完全不同的含义:气体激光器(例如CO2激光)具有玻璃管。

大型玻璃激光器和放大器

大件

激光玻璃(与激光晶体相比)的主要吸引力之一是,它们可以以合理的成本制作非常大的尺寸。这基本上是因为不需要实现长程的微观顺序——与单晶相比,单晶很难或至少非常耗时地生长大块。

一个大的玻璃增益介质允许人们储存大量的激发能。这种能量通常是通过激光的Q开关提取,或通过光放大器的单通或多通放大提取。

大增益带宽

激光玻璃 的大增益带宽对于超快放大器至关重要,以避免宽带光脉冲的增益变窄。 此外,它可用于波长调谐。

减少排放截面

激光玻璃的峰值发射截面和增益远低于具有相似掺杂浓度的激光晶体的值;这主要是因为光学跃迁在更宽的光谱区域被“涂抹”出来。

在Q开关激光器的情况下,这甚至是有利的:较低的增益更容易抑制过早的激光,即Q开关不需要在脉冲积聚之前引入非常高的损耗。 在无源Q开关的情况下,在给定的模式半径下可以获得更高的脉冲能量,这主要是因为增益介质的饱和能量更高。 然而,高增益激光晶体对于实现尽可能短的脉冲持续时间是优选的。

即使对于光放大器,减小发射截面的幅度也是有益的,因为否则增益可能会变得不必要的高,并且增益饱和将变得有害。 然而,高饱和通量使得单个超短脉冲无法提取所有存储的能量,因为过高的峰值强度可能会导致激光诱导的损伤。然后,啁啾脉冲放大可以成为一种解决方案,同时还可以减少强烈的非线性效应。

另一方面,减小的过渡横截面通常是有害的,例如,当需要具有高增益的放大器或用于非常短脉冲的Q开关激光器时。

热性能

玻璃的一个明显缺点是导热系数相对较低。 因此,玻璃激光器或放大器不能以高脉冲重复率和相应的高平均功率运行;否则,由于过热负载,它会过热,这可能导致损坏(例如玻璃破碎)或强烈的热致光束畸变。

尽管如此,对于足够低的重复率,热透镜可能相当容易管理。 在这种情况下,一个有用的方面可能是某些激光玻璃中折射率的温度依赖性较弱。

广泛的泵送过渡

不仅激光跃迁,而且泵浦跃迁在玻璃中的光谱也相当宽。 这是有利的,因为可以使用更多的宽带泵浦辐射。 因此,可以使用没有波长稳定的激光二极管;在某些情况下,甚至使用灯泵(例如使用氙气灯)。 对于相当低的脉冲重复率和适中的平均输出功率,尽管墙插效率低,但后者可能是一种相当经济的解决方案。

应用实例:激光诱导核聚变

大型玻璃激光放大器的一个有趣的应用是惯性约束聚变(例如在加利福尼亚州利弗莫尔的国家点火设施(NIF),其中需要极高的脉冲能量(在兆焦耳区域)与飞秒域的脉冲持续时间相结合。 在这里,玻璃放大器基本上是唯一可用的选择。

NIF玻璃放大器基于3000多个掺钕磷酸盐玻璃板,每个玻璃板的重量为42公斤[19]。 他们用闪光灯强烈地抽水,但每天只有几次射击。 提取具有高光束质量的高能量需要非常复杂的工程。

小型玻璃激光器

其他玻璃激光器基于尺寸仅为几毫米的小长方体或杆形激光玻璃片,通常由二极管泵浦。 通常,人们使用玻璃而不是激光晶体,因为增益带宽更宽,这允许人们在皮秒甚至飞秒域中获得相对较短的脉冲,或者在其他情况下在更宽的光谱范围内进行波长调谐。

由于激光玻璃的热特性不理想,输出功率(脉冲操作时的平均功率)通常被限制在远低于1 W,至少在需要衍射限制光束质量的情况下,尽管也有例外[13]。 在这方面,光纤激光器可以很容易地表现得更好,但块状玻璃激光器允许人们实现更短的激光谐振器,这在各种情况下是必需的或至少是可取的。 例如,可以实现具有非常高脉冲重复率的锁模激光器[15],可以更容易地实现单频操作[16]

参考文献

[1] E. Snitzer and R. Woodcock, “Yb3+–Er3+ glass laser”, Appl. Phys. Lett. 6, 45 (1965), doi:10.1063/1.1754157
[2] E. Snitzer, “Glass lasers”, Appl. Opt. 5 (10), 1487 (1966), doi:10.1364/AO.5.001487
[3] W. Seka et al., “High-power phosphate-glass laser system: design and performance characteristics”, Appl. Opt. 19 (3), 409 (1980), doi:10.1364/AO.19.000409
[4] D. Bruneau et al., “Fourth harmonic generation of a large-aperture Nd:glass laser”, Appl. Opt. 24 (22), 3740 (1985), doi:10.1364/AO.24.003740
[5] U. Czarnetzki and V. Schulz-von der Gathen, “Neodymium:glass laser system with a large tuning range”, Appl. Opt. 25 (17), 2912 (1986), doi:10.1364/AO.25.002912
[6] M. Lukac and M. Marincek, “Energy storage and heat deposition in flashlamp-pumped sensitized erbium glass lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 26 (10), 1779 (1990), doi:10.1109/3.60902
[7] F. G. Patterson, R. Gonzales and M. D. Perry, “Compact 10-TW, 800-fs Nd:glass laser”, Opt. Lett. 16 (14), 1107 (1991), doi:10.1364/OL.16.001107
[8] K. Yamakawa et al., “Prepulse-free 30-TW, 1-ps Nd:glass laser”, Opt. Lett. 16 (20), 1593 (1991), doi:10.1364/OL.16.001593
[9] F. G. Patterson and M. D. Perry, “Design and performance of a multiterawatt, subpicosecond neodymium:glass laser”, J. Opt. Soc. Am. B 8 (11), 2384 (1991), doi:10.1364/JOSAB.8.002384
[10] V. Phomsakha, B. P. Scott and N. Djeu, “Joule-level tunable single-frequency Nd:glass laser”, Appl. Opt. 31 (6), 698 (1992), doi:10.1364/AO.31.000698
[11] J. Aus der Au et al., “60-fs pulses from a diode-pumped Nd:glass laser”, Opt. Lett. 22 (5), 307 (1997), doi:10.1364/OL.22.000307
[12] C. Hönninger et al., “Efficient and tunable diode-pumped femtosecond Yb:glass lasers”, Opt. Lett. 23 (2), 126 (1998), doi:10.1364/OL.23.000126
[13] J. Aus der Au et al., “Femtosecond diode-pumped Nd:glass laser with more than 1 W of average output power”, Opt. Lett. 23 (4), 271 (1998), doi:10.1364/OL.23.000271
[14] F. Krausz et al., “Self-starting additive-pulse mode locking of a Nd:glass laser”, Opt. Lett. 15 (19), 1082 (1990), doi:10.1364/OL.15.001082
[15] S. C. Zeller et al., “Passively mode-locked 50-GHz Er:Yb:glass laser”, Electron. Lett. 40 (14), 875 (2004)
[16] N. Vorobiev et al., “Single-frequency-mode Q-switched Nd:YAG and Er:glass lasers controlled by volume Bragg gratings”, Opt. Express 16 (12), 9199 (2008), doi:10.1364/OE.16.009199
[17] A. E. Oehler et al., “100 GHz passively mode-locked Er:Yb:glass laser at 1.5 μm with 1.6-ps pulses”, Opt. Express 16 (26), 21930 (2008), doi:10.1364/OE.16.021930
[18] S. Ji et al., “Lamp-pumped eight-pass neodymium glass laser amplifier with high beam quality”, Optical and Quantum Electron. 53, 277 (2021), doi:10.1007/s11082-021-02813-2
[19] Information on glass amplifiers at the National Ignition Facility, https://lasers.llnl.gov/about/how-nif-works

激光器

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