双向泵浦钛宝石脉冲激光的多通放大

第9卷　第2期

1997年5月强　激　光　与　粒　子　束H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S V o l .9,N o.2

M ay .,1997

3　国家863惯性约束聚变领域资助课题。1996年11月5日收到原稿,1997年5月15日收到修改稿。

张树葵,男,1963年6月出生,博士,副研究员。双向泵浦钛宝石脉冲激光的多通放大Ξ

张树葵　文国庆　王晓东　唐　军　周丕璋　彭翰生

(中物院核物理与化学研究所,高温高密度等离子体重点实验室,成都市525信箱80号　610003)

摘　要　从基本理论出发,系统地计算分析了双向泵浦钛宝石激光放大器的增益特性,进

而采用新的放大构型完成了啁啾脉冲八通放大实验,放大总增益近106,输出脉冲能量达018mJ 。

关键词　钛宝石激光器　双向泵浦　啁啾脉冲放大

ABSTRACT T h is paper p resen ts the calcu lati on and analysis on the gain characteristics of

doub le 2side pumped T i :sapph ire laser amp lifiers .Ch irped 2pu lse m u lti pass amp lificati on in T i :sap 2

ph ire experi m en ts has been ,fo r the first ti m e in Ch ina ,conducted here w ith 106overall gain and 0.

8mJ ou tpu t energy .

KEY WOR D S T i :sapph ire laser ,doub le 2side pump ing ,ch irped 2pu lse amp lificati on

0　引　言

高功率钛宝石激光系统需要有高增益前置放大器,以把振荡器输出的(nJ 级)弱种子光脉冲放大到具有一定能量(m J 级)水平。再生放大器的光腔内含有较多的光学元件,放大次数亦甚多,同时考虑到信号带宽问题,用它难以放大脉宽在几十飞秒以下的光脉冲以及实现大范围调谐。在泵浦能量一定的情况下,如何尽量减少放大次数以及光路中的光学元件对宽频带光脉冲的放大至关重要。另外,钛宝石放大器的泵浦光是经过透镜而聚焦至钛宝石晶体中的,使泵浦光束尽可能细可以提高增益,但也容易损坏晶体,所以为了增加馈入晶体的能量,也必须寻求新的泵浦方式和放大方案。

采用双向泵浦方式并设计了多通共焦腔放大器,实验证明,利用这种放大构型仅需较少的放大次数即可获得近106的放大增益和近m J 的输出脉冲能量。

1　双向泵浦钛宝石晶体增益特性分析

用倍频YA G 激光器作泵浦源,与闪光灯泵浦方式不同,为了在钛宝石晶体中形成合适的增益区域,通常是将0.53Λm 绿光聚焦至晶体中,一般采用单向泵浦方式就可以得到比较高的增益。但若要求更高的增益则必须提高泵浦通量,同时,由于受实验室环境的影响,晶体表面的

泵浦光通量不宜过高,应小于2J c m 2。为了防止晶体损伤并能获得较高的输出能量,将泵浦光

分束后分别从两个端面聚焦[1]至激光介质是一个很好的办法。以下从理论上分别计算单向泵浦与双向泵浦激光放大的增益特性,通过比较进行细致的分析。

为建立双向泵浦计算模型,首先给出关于增益与介质储能的关系式G 0=exp (F sto F s )

F sto =Γ(F p a (Κp Κs )

g 0=ln G 0

(1)

其中F sto ,F s ,F p a 分别是介质储能通量(或储能密度)、饱和通量以及介质吸收的泵浦光通量,

Κ

p ,Κs ,Γ则分别是泵浦光波长、放大光波长以及从介质吸收能量到上能级储能的转换效率。显然增加泵浦通量等于增加激发介质的储能。由于放大器总是工作在泵浦通量低于吸收饱和通

量(在0.53Λm 处,钛宝石晶体的吸收饱和通量F as ≈8J c m 2)的状态,所以可以认为增加的泵

浦通量将按照上述关系转为激发介质增益的提高

。

F ig .1　Doub le 2side pumped amp lifier configu rati on

图1　双向泵浦放大器构型

泵浦光通过焦距为f 的透镜会聚至钛宝石中,焦点的位置主要由晶体端面上所承受的泵浦光负载及其光束质量(发散角)决定,通常使用的0.53Λm 泵浦光的发散角为0.5

～1m rad ,如果透镜焦距f =1m ,则焦点处光斑直径w 0=0.5～1mm 。考虑到光束的发散角,则可将泵浦光束经过透镜后光束横截面积A (z )与传播距离z 的关系(该处指的是从左边入射的单向泵浦光)写为:

A (z )=Πw 20 4+(1-z f )2ΠD 2 4

(2)其中D 为聚焦前入射光束口径,如图1所示。如果晶体左端面的位置为z 0,泵浦光在该处的面积为A (z 0),晶体为泵浦光的吸收系数为Α,则在晶体中任一点z 处,晶体(长度为∃z )吸收的泵浦光通量F al (∃z )应为

F al (∃z )=F p (z 0)A (z 0)e -Α(z -z 0)(1-e -Α∃z ) A (z )

(3)其中F al (∃z )是相对晶体左端面的泵浦光而言的。同样,设双向泵浦用的会聚透镜对称放置在晶体两边,彼此相距L ,则晶体对右边泵浦光的吸收通量由下式给出

F ar (∃z )=F p (L -z 0)A (z 0)e -Α(L -z -z 0)(1-e -Α∃z ) A (L -z )

(4)显然晶体长度l c =L -2z 0。在晶体内z 点附近∃z 长度上吸收的泵浦光通量F az (∃z )=F al +F ar ,由此可以求出晶体的储能通量

F stoz (∃z )=ΓF az (∃z )(Κp Κs )

(5)根据(1)式并利用晶体两端面上泵浦通量相等的条件,即F p (z 0)=F p (L -z 0),可以求得信号增益系数

g 0(∃z )=F sto F s =C p (g l +g r )(6)

且C p =Γ[F p (z 0) F s ](Κp Κs )(6.1)

g l =e -Α(z -z 0)(1-e -Α∃z )A (z 0) A (z )(6.2)

g r =e -Α(L -z -z 0)(1-e -Α∃z )A (z 0) A (L -z )

(6.3)142第2期张树葵等:双向泵浦钛宝石脉冲激光的多通放大