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如何提高激光脈沖能量 目前全球有這幾大技術(shù)方案
星之球科技 來源:中國激光2017-12-25 我要評(píng)論(0 )
1960年代中期,調(diào)Q和鎖模技術(shù)的相繼發(fā)明,使激光脈沖的功率有了較快的發(fā)展,但很快就到了一個(gè)平臺(tái)期。一直到1980年代末期,啁啾
1960年代中期,調(diào)Q和鎖模技術(shù)的相繼發(fā)明,使激光脈沖的功率有了較快的發(fā)展,但很快就到了一個(gè)平臺(tái)期。一直到1980年代末期,啁啾脈沖放大技術(shù)的出現(xiàn),使激光脈沖功率結(jié)束了二十余年的平臺(tái)期,再次經(jīng)歷了飛速發(fā)展。在脈寬不能繼續(xù)縮短的情況下,提供脈沖能量成為了一個(gè)關(guān)鍵。但是現(xiàn)在,脈沖能量似乎又停滯在一個(gè)平臺(tái)上,迫切需要新技術(shù),來觸發(fā)一場(chǎng)新的激光革命。
本文旨在簡要說明各種提高飛秒激光脈沖能量和平均功率的技術(shù),試圖使讀者對(duì)各種新技術(shù)有個(gè)基本的了解和判斷。
1以鈦寶石為代表的固體飛秒激光器——
難以兼顧高能量與高重復(fù)頻率
以鈦寶石激光器為代表的固體激光器能產(chǎn)生非常高的峰值功率,但是重復(fù)頻率普遍很低。例如美國伯克利激光加速器BELLA系統(tǒng)的鈦寶石激光器、我國上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的大口徑激光系統(tǒng),就連最近捷克HiLASE宣布建成平均功率1 kW的碟片超級(jí)激光器,也難逃厄運(yùn):脈沖能量高達(dá)100 J,但脈寬為1.3 ps,重復(fù)頻率僅為10 Hz。
提高重復(fù)頻率,受限于放大介質(zhì)中的熱-光效應(yīng),例如熱透鏡和熱致雙折射等。改變激光介質(zhì)的形狀,例如碟片激光放大器,能部分地解決問題,但目前脈沖能量和脈寬還不能與鈦寶石激光器相比。提高脈沖能量和重復(fù)頻率的努力仍在持續(xù)進(jìn)行中。
2光纖激光空間合束——
“揚(yáng)短避長”,又倒退回CPA之前?
與固體激光器平行發(fā)展的是光纖激光器。但在啁啾脈沖光纖激光放大器中,受光纖芯徑和由此帶來的非線性效應(yīng)限制,峰值功率也只有GW,已經(jīng)接近極限。
直觀的解決方案是空間合束,即將脈沖分成若干路光纖分別放大再合成一路。這種技術(shù)最早用于連續(xù)激光,最近幾年擴(kuò)展到飛秒脈沖激光。但是如何將上萬根光纖的合束,每個(gè)光纖的相位且都需要同步,技術(shù)上可行嗎?實(shí)現(xiàn)起來雖然復(fù)雜,也不是不可能。
啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)的發(fā)明者G. Mourou 教授目前實(shí)驗(yàn)上剛剛錄得8根光纖合束為1 kW,1 mJ。我國國防科技大學(xué)也通過光纖合束得到313 W 的平均功率、827 fs的脈沖。
仔細(xì)想想,靠增加光纖的數(shù)目來提高脈沖能量,除了比固體激光器散熱好一些,與僅靠擴(kuò)大放大介質(zhì)的面積來增加功率耐受度有什么區(qū)別?這是不是又回到了CPA之前?唉,這個(gè)CPA 的開創(chuàng)者,怎么走了回頭路?
3時(shí)域分割放大——翻餅烙餅來回折騰
啁啾脈沖放大的概念是什么?就是把脈沖在時(shí)域展寬,再放大,然后再壓縮回去??蓚鹘y(tǒng)的展寬器,最多也只能把脈沖展寬到1 ns。所以光纖也好固體也好,都承受不了高峰值功率。能不能想個(gè)別的辦法展寬呢?有人說,把一個(gè)脈沖在時(shí)域上切成幾個(gè)脈沖,不就相當(dāng)于在時(shí)域展寬了嗎?于是就有了脈沖分割放大。
為解決這個(gè)矛盾,有人提出先利用多次偏振分光將脈沖在時(shí)域分割,經(jīng)過時(shí)間延遲,將重復(fù)頻率倍增,耦合入一根光纖放大到高平均功率后,再次將脈沖分光、延時(shí)補(bǔ)償,使之合成為一個(gè)脈沖。這個(gè)技術(shù)稱為分割脈沖放大。
這個(gè)技術(shù)要經(jīng)過放大前和放大后兩次偏振分光,兩套延遲控制和補(bǔ)償光路,非常復(fù)雜。而且,這種利用偏振分割和合成的脈沖的數(shù)目非常有限。時(shí)間分割和空間合束結(jié)合起來也許是解決之道。
4光譜分割放大——背著抱著一邊沉
還有一種叫光譜放大合成方法。將脈沖的光譜分割,分別放大,再合成在一起。這里致命的問題是,分割后光譜變窄,而這樣窄的光譜恰恰是啁啾脈沖展寬的大敵!例如原來40 nm的光譜可以展寬至500 ps,現(xiàn)在分割到1/12,每段光譜就只能展寬成500 ps的1/12了!每根光纖(這里是每個(gè)芯)對(duì)應(yīng)的峰值功率還是一樣的,仍然受非線性效應(yīng)的限制。結(jié)果,雖然是分割放大,卻是個(gè)零的游戲——沒有一個(gè)分量的脈沖能量可以放大到超過合起來放大的脈沖能量的1/12!
5衍射光學(xué)合成——顧此失彼
這里還穿插著另外一種空間合成方法,叫衍射合成。設(shè)想將入射光按不同的級(jí)次的角度入射到光柵上,使其集中到零級(jí)光上。要想得到多級(jí)衍射,就得用光柵密度低的;而低密度光柵的衍射效率就會(huì)低,因?yàn)椴豢赡苤挥幸患?jí)衍射;為提高效率,很容易想到閃耀光柵;可要是對(duì)這么多級(jí)次都閃耀,還叫閃耀光柵嗎?同時(shí),能合成的光束數(shù)目也非常有限。
6相干脈沖堆積——終極的選擇?
脈沖分割放大合成,是靠偏振分割,畢竟數(shù)目有限,而且分合都需要偏振和時(shí)間延遲控制。如果把脈沖列看成已經(jīng)分割好的脈沖,直接把脈沖在時(shí)域合成,可以嗎?
人們首先想到的就是腔增強(qiáng)技術(shù)。腔增強(qiáng)時(shí)域脈沖合束不需要脈沖分割,不需要偏振控制,直接將脈沖列中大量脈沖在腔內(nèi)疊加在一起,因此也稱相干脈沖堆積放大技術(shù)。相干脈沖堆積腔的腔型可分為兩種:高Q值腔(高精細(xì)度腔)和低Q值腔(低精細(xì)度腔)。區(qū)別是輸入耦合鏡的反射率和堆積后的脈沖從腔內(nèi)的導(dǎo)出方式。
fswitch是腔內(nèi)開關(guān)的重復(fù)頻率。HR:高反射鏡。
高Q值腔的脈沖腔內(nèi)增強(qiáng)堆積放大技術(shù)見圖5:入射耦合鏡的反射率在99%以上。將脈沖序列連續(xù)注入與脈沖時(shí)間間隔相等的諧振腔,脈沖被局限在腔內(nèi)相干堆積,達(dá)到飽和后,通過高速光開關(guān)將腔內(nèi)脈沖倒空(注意不是從入射端鏡輸出)。此技術(shù)稱為堆積和腔倒空(SnD)技術(shù)。模擬表明在高Q值腔可堆積600多個(gè)脈沖。如果導(dǎo)出效率能達(dá)到80%,相當(dāng)于500倍的增強(qiáng)。
低Q值腔內(nèi)堆積放大技術(shù)中,入射耦合鏡的反射率很低,在40%上下。脈沖的耦合入腔和導(dǎo)出都利用干涉效應(yīng),所以又稱“GT”干涉儀。
結(jié)論:夢(mèng)想終將實(shí)現(xiàn)
為了飛秒脈沖能量和平均功率的進(jìn)一步提高,人們?cè)诓粩嗤瞥鲂碌募夹g(shù)。在眾多的新技術(shù)中,也許相干脈沖堆積技術(shù)與其他分束合成技術(shù)的結(jié)合,有希望將脈沖能量和平均功率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。圖7是焦耳量級(jí)脈沖的裝置構(gòu)想。高重復(fù)頻率光纖激光器輸出的脈沖,經(jīng)過展寬和振幅位相調(diào)制,在空間分成若干路放大,然后空間合束。最后是脈沖的時(shí)域堆積和脈沖壓縮。注意這里不同于Mourou先生的空間分割放大合束概念的是,放大器中的光脈沖是高重復(fù)頻率的,而不是幾十kHz。也不同于Jena大學(xué)SnD,其方案是在倒空后空間合束。
還有一種方案,仍是在高重復(fù)頻率激光器基礎(chǔ)上,把脈沖進(jìn)行偏振和相位調(diào)制,再用偏振合成,但文章篇幅有限,在這里不作細(xì)說,感興趣的同仁可以查詢相關(guān)資料。
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