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德国Yb:CaF2飞秒激光系统达到太瓦输出功率

2009-06-04 11:54
PokerJoker
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Valerie C. Coffey

        输出功率为太瓦(1012W)量级的激光器,在所有人们感兴趣的新兴物理学领域有着巨大的应用潜力。然而,现有的太瓦激光系统体积庞大、效率低下,并且存在热效应导致的光学元件融化问题。为了拓展高功率激光技术以解决这些问题,德国的研究人员首次采用掺镱的氟化钙(Yb:CaF2)作为放大介质,实验演示了输出功率为太瓦级的二极管泵浦的啁啾脉冲放大激光系统。[1]

        德国Friedrich Schiller大学以及马克思-普朗克量子光学研究所的Mathias Siebold及其同事们没有采用以往的倍频光泵浦的方式,而是直接使用激光二极管的输出作为泵浦。Siebold称:“尽管其他激光器可以获得拍瓦(1015W)级的输出功率,但它们几乎采用的都是闪光灯泵浦。我们的系统采用全二极管直接泵浦,并且输出功率在该类系统中创下了新的纪录。”

        掺镱增益介质具有量子缺陷低、增益谱宽以及荧光寿命长的优点,因此是要求实现高光学效率的高功率二极管泵浦激光系统的理想选择。但直到最近才生长出尺寸足够大的单晶Yb:CaF2,以满足高能短脉冲激光器所需的厘米口径尺寸需求。[2]德国柏林晶体生长研究所以及上海光学精密机械研究所能够提供28mm长的圆柱形掺Yb3+离子的Yb:CaF2晶体,并能在1031nm工作波长对晶体镀增透膜。


图: 通过球面透镜压缩后,二极管泵浦的太瓦Yb:CaF2激光系统的输出光束远场尺寸为108祄×50.3祄

        研究人员利用Ti:sapphire激光振荡器产生脉宽85fs(半高全宽值,FWHM)的种子脉冲。一个由14英寸宽的金光栅构成的四通脉冲展宽器,将波长为1031nm的种子脉冲展宽到2ns,然后通过掺镱玻璃再生放大器将种子脉冲的能量放大到40mJ。两个由25根激光二极管线阵构成的叠阵,分别将脉冲的峰值功率放大到3.5kW和3.9kW。由四个金光栅构成的拼接光栅压缩器,再次对啁啾脉冲进行压缩。随后通过焦距为5m的球面透镜将光束聚焦,以矫正输出光束的远场失真。经过压缩后,研究人员测得的最大脉冲能量为197mJ,对应的脉宽为191fs(FWHM值)。

        在利用纳秒脉冲进行的实验中,当脉冲能量高达905mJ时依然不会发生光学损伤,对应的峰值能流为3.1J/cm2。然而在纳秒脉宽条件下,增透膜的损伤阈值为956mJ。微秒脉冲能够达到1.54J的输出能量(对应的峰值输出功率为15.4kW),对应的峰值输出能流为4.9J/cm2。纳秒脉冲的光-光转换效率为3.9%,而啁啾脉冲放大仅能达到1.4%。研究人员认为尽管效率看起来很低,但该Yb:CaF2太瓦原型系统具有较大的定标以及优化潜力。

        Siebold表示,尽管太瓦系统在军事以及国防领域具有明确的应用目标,但如果将这些系统的输出功率提升到拍瓦量级,其在离子加速以及癌症治疗领域同样具有广泛的应用前景。

参考文献:
1. M. Zimmler et al., Appl. Phys. Lett.   93, 051101-1 (online Aug. 4, 2008).

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