摻鐿塊狀材料是產(chǎn)生高功率超短脈沖激光輸出的一種有效技術(shù)途徑,具有造價低、易加工、易調(diào)節(jié)、可承受脈沖能量大等優(yōu)勢。該材料介于光纖、單晶光纖、板條、薄片之間,基于塊狀材料的超短脈沖激光放大器逐漸成為超快激光領(lǐng)域的研究熱點。在具體體現(xiàn)形式上,主要有行波（單通、雙通、四通）放大結(jié)構(gòu)和再生放大結(jié)構(gòu);在所使用的增益介質(zhì)方面,主要以Yb…YAG為主,另外還有Yb…KYW、Yb…KGW、Yb…CALGO、Yb…CaF2、Yb…Lu2O3、Yb…Y2O3等。梳理和總結(jié)了目前已經(jīng)公開報道的相關(guān)結(jié)果,并對摻鐿塊材料超短脈沖激光放大器,尤其在百瓦甚至千瓦量級的超短脈沖放大器上的潛在應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討和展望。 

【文章來源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020,57(07)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

圖1 雙通Yb…YAG啁啾脈沖放大裝置圖[20]

除了以上兩種Yb…YAG晶體棒和Yb…YAG陶瓷棒，來自白俄羅斯的Kuznetsov等[26]在2016年首次報道了錐形Yb…YAG晶體棒的概念（如圖3所示）。通過數(shù)值模擬分析了泵浦光在均勻細(xì)棒和錐形細(xì)棒中分布的區(qū)別：在錐形細(xì)棒中，可形成多個高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)域，因此有利于提升該類型放大器的增益[27]。在實驗上，他們通過使用摻雜為1%、長度為30mm、粗端直徑1mm、細(xì)端直徑0.3mm的錐形Yb…YAG晶體棒，在130 W泵浦功率下，使用單通放大結(jié)構(gòu)就獲得了近25 W的連續(xù)輸出功率[26]，充分展示了錐形Yb…YAG晶體棒在功率放大方面的優(yōu)勢。2018年，他們又和韓國電子技術(shù)研究所的Yang等[28]合作，建立了超短激光脈沖在多級Yb…YAG棒狀增益介質(zhì)中放大的模型，并在實驗上獲得了脈沖寬度為580fs、重復(fù)頻率為80MHz、平均輸出功率大于110 W的超短脈沖激光。其中所使用的三級放大器分別是長度為40mm、摻雜濃度1%的錐形Yb…YAG細(xì)棒，Φ1 mm×30mm、2%摻雜的Yb…YAG晶體棒，和Φ1mm×40mm的Yb…YAG模塊（Fibercryst公司Taranis模塊），其實驗裝置圖如圖4所示。中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所Li等[29-31]在其一系列工作中，除了使用Fibercryst公司的Taranis模塊，還發(fā)展了水冷式的Yb…YAG增益模塊。在他們2019年的最新工作中[31]，使用了直接水冷式鍵合Yb…YAG晶體，尺寸為Φ3mm×（14+24+32)mm、摻雜2%，其中14mm和32mm為非摻雜YAG部分、24mm為摻雜晶體部分。在輸入種子功率為7.4W、泵浦功率為135 W的條件下，采用雙通結(jié)構(gòu)，得到了輸出功率38W、重復(fù)頻率為250kHz的激光輸出，通過使用體布拉格光柵進(jìn)行后續(xù)壓縮，得到了輸出功率為23.9 W、脈沖寬度為985fs的超短脈沖激光，其實驗裝置如圖5所示。

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所Li等[29-31]在其一系列工作中，除了使用Fibercryst公司的Taranis模塊，還發(fā)展了水冷式的Yb…YAG增益模塊。在他們2019年的最新工作中[31]，使用了直接水冷式鍵合Yb…YAG晶體，尺寸為Φ3mm×（14+24+32)mm、摻雜2%，其中14mm和32mm為非摻雜YAG部分、24mm為摻雜晶體部分。在輸入種子功率為7.4W、泵浦功率為135 W的條件下，采用雙通結(jié)構(gòu)，得到了輸出功率38W、重復(fù)頻率為250kHz的激光輸出，通過使用體布拉格光柵進(jìn)行后續(xù)壓縮，得到了輸出功率為23.9 W、脈沖寬度為985fs的超短脈沖激光，其實驗裝置如圖5所示。以上所述結(jié)果均基于Yb…YAG的棒狀增益介質(zhì)，這主要是由于Yb…YAG介質(zhì)的單程增益相對較大，但是Yb…YAG的增益帶寬相對較窄，可直接獲得的脈沖寬度較寬，典型脈沖寬度在0.6～2ps范圍內(nèi)。事實上，其他摻鐿材料也可用來進(jìn)行超短脈沖激光的放大。最近，來自韓國電子技術(shù)研究所的Kim等[32]報道了基于日本神島化學(xué)公司提供的尺寸為Φ1mm×27mm、摻雜0.5%的Yb…Y2O3陶瓷細(xì)棒的單通、雙通和四通超短脈沖激光放大器。在最大泵浦功率123.7 W時，采用四通放大結(jié)構(gòu)，獲得了8.1 W的最高輸出功率，其脈沖寬度為239fs、光譜帶寬為4.8nm、中心波長為1030.5nm，其實驗裝置圖如圖6所示。該結(jié)果充分展示了Yb…Y2O3陶瓷細(xì)棒放大器在高功率、超短脈沖放大方面的應(yīng)用潛力，為進(jìn)一步獲得高功率超短脈沖激光提供了一種潛在的技術(shù)途徑。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]晶體光纖及晶體衍生光纖制備與應(yīng)用綜述[J]. 劉兆軍,高悉寶,叢振華,邵賢彬,謝永耀,蔣明淵,王上,趙智剛,張行愚.  光子學(xué)報. 2019(11)
[2]單晶光纖制備及單晶光纖激光器研究進(jìn)展[J]. 王濤,張健,張娜,武柏屹,王思媛,賈志泰,陶緒堂.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2019(17)
[3]單晶光纖放大器研究進(jìn)展[J]. 王雅蘭,王慶.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2018(10)
[4]二極管抽運全固態(tài)飛秒Yb激光振蕩器[J]. 朱江峰,田文龍,高子葉,魏志義.  中國激光. 2017(09)



本文編號：3261920