激光自注入放大技术的实验研究

郑 奇,孙 智

(1.湖北民族学院 科技学院,湖北 恩施 445000;2.湖北民族学院 理学院,湖北 恩施 445000;3.国电恩施水电开发有限公司,湖北 恩施 445000)

激光自注入放大技术的实验研究

郑 奇1，2,孙 智3

(1.湖北民族学院 科技学院,湖北 恩施 445000;2.湖北民族学院 理学院,湖北 恩施 445000;3.国电恩施水电开发有限公司,湖北 恩施 445000)

分析了激光自注入放大技术过程中需各种因素对输出光性能参量的影响，通过实验过程研究寻找出最佳的放大器结构参量选择设计，证实自注入放大方法的实效即实现理想激光光放大，输出飞秒级超短脉冲激光，为激光器放大器设计提供了指导.

自注入放大技术；高功率；窄脉冲；稳定性

实际应用中的激光器在很多情况下需要高能量输出，如激光器核聚变、激光加工，激光雷达、乃至激光作为长距离光通信光源.为了提高输出功率而采用了长腔设计[1]，而这样却会造成使激光器光束发散角增大、单色性降低、脉冲宽度变宽、以及调制性能变差等问题；再就是利用调Q技术获得高峰值输出功率，但这仅仅是脉冲功率增大而不是激光实际输出功率增大.因此实际中使用激光放大技术来提高激光器输出能量，激光放大器不需要自身具有谐振腔，选择与入射待放大激光增益谱线相重合的、能及结构相匹配的放大增益介质产生强烈的受激辐射，与原激光辐射叠加将产生比原激光光强大得多的出射激光束[2-3].而如果在放大过程中设计使用振荡器-多级放大方式，将可能灵活运用振荡器决定输出激光的脉冲宽度、光束发散角和激光谱线宽度，又利用多级放大缩短每级工作位置的长度，在输出高功率高亮度激光的同时又防止发生超辐射和自聚焦等破坏现象，以此获得性能优异的激光输出特性又能大程度的提高输出光亮度.

1 自注入激光放大器的基本设计方案

实际上，激光放大的过程与激光震荡产生受激放大形成激光输出的物理过程是相同的，但其特点是没有谐振腔.其关键在于放大介质的选择，放大介质的增益谱线要与入射光的频率重合以及匹配的能及结构.再生式放大是将某一质量优良的微弱信号作为“种籽”，用其参与到需要放大的激光器震荡中控制激光震荡的产生.这个“种籽”如果是来自需要放大的激光外界的脉冲信号其称作外注入放大；而如果这个“种籽”是来自需要放大的激光本身产生的，再把此信号自注入到激光器谐振腔内实现再生放大，这就是自注入放大.自注入放大在实际中非常显著的特点就是可以大幅度缩小激光器系统的体积，这种放大方法最适合于高能量短脉冲输出的固体激光器输出放大.如图1示出了实验中采用的一种腔内自注入放大装置的动作原理示意.在实验室平台上，在一个设计好的开放退压式调Q激光器中加入一个泡克尔斯盒PCx，这样以来它将作为产生注入放大的“种籽”脉冲，与其相对应的泡克尔斯盒PC为调Q器件.M1和M2为两个腔镜，其反射性既提供激光器谐振腔本身的增益放大，同时提供放大信号的反馈.

图1 激光自注入放大原理图Fig.1 Schematic diagram of laser amplification technique

在激光器工作之初，激光工作物质在激励光源照射下储能期间，在泡克尔斯盒调Q器件PC上加载电压V，这时激光谐振腔不能形成震荡而处于“闭”状态，当激光谐振腔工作物质储能达到最大时，撤去泡克尔斯盒调Q器件PC上的1/4波电压V，于是Q开光将打开产生激光振荡.考虑到激光振荡达到峰值前的时间延迟，然后加载半波电压到泡克尔斯盒PCx上，这时在激光腔内L1段的激光经过PCX其光偏振方向改变90°后照射到偏振镜P后偏折逸出腔外.原来L2段内的激光振荡在腔内往返一周两次通过加载了半波电压的泡克尔斯盒PCx，其方向不会改变并保留在腔内成为种籽脉冲反复多次通过激光工作物质Nd2+:YAG进行放大，产生包络为调Q波形的序列脉冲经由输出端镜M2输出.

表1 自注入放大实验参数表

2 实验

实验过程采取水冷措施，选则L=220 cm的谐振腔长，L1取20 cm，种籽脉冲脉宽Tg=23fs，选择延迟时间Td=17 ns.实验过程中比较关键的一点是要适当的控制从Q开关打开到半波电压加载到泡克尔斯盒PCx上的延迟时间Td，如果在自注入放大过程中该时间设置大的话，受激辐射的优势凸显形成高的信噪比[6]，但是该时间如果大于了激光临界雪崩所需要的延迟时间，将得到的是调Q激光脉冲.所以应将此时间选择合适，即在调Q激光到达峰值之前注入脉冲电压到泡克尔斯盒PCx上.实验过程中激光参量见表1.

图2 自注入放大输出脉冲光参量图Fig.2 The output pulse optical parametric drawing

3 结论

实验结果如图2，表明通过自注入放大系统后，激光参量均有很大提高图2(a)(b)(c)(d)四图分别显示出经放大系统后输出光的性能.

实验中是对调Q激光窄脉冲进行放大，是一种超短脉冲放大装置.放大器介质原子可能不能立即响应激光作用，必须考虑光子原子相互作用的相位关，其相关理论在很多文献上均可查阅[7].

实验结果表明使用自注入放大后输出的激光脉冲虽然单脉冲能量比较调Q激光有较小降低，但峰值功率提高很多倍，这正是实际中选择这一方法目的，即获取窄脉宽高峰值的优良激光脉冲输出.同时，激光输出表现出高功率且功率长时间保持稳定.

[1] 邱建荣.飞秒激光应用前沿[J].学术前沿,2010(2):19-20.

[2] 陈家壁,彭润玲.激光原理及应用[M].2版.北京:电子工业出版社,2008:29-32.

[3] 周炳琨.激光原理 [M].5版.北京:国防工业出版社,2000:76-91.

[4] Durfee C G，Backus S，Kapteyn H C，et al.Intense 8.fs pulse generation in the deep ultraviolet[J].Optics Letters，1999，24(10)：697-699.

[5] 王丽,杨建,黄骝.纳秒级窄线宽脉冲钛宝石激光注入BBO晶体光参量放大器[J].中国激光,2002,2(2):104-106.

[6] Ell R，Morgner U，Kartner F X，et al.Generation of5.fs pulses and octave.spanning spectra directly from a Ti：sapphire laser[J].Optics Letters，2001.26(6)：373-375.

[7] 蓝信钜等.激光技术 [M].2版.北京:科学出版社，2005：180-250.

TheExperimentalResearchofLaserAmplificationTechnique

ZHENG Qi1，2,SUN Zhi3

(1.School of Science and Technology,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;2.School of Science,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;3.Guodian Enshi Hylropowe Development Co.,Ltd,,Enshi 445000,China)

This paper analyzed the effect of various factors on output optical performance parameters in the process of the laser.The best amplifier structure parameters are obtained through the experiment research amplification technique.The method can achiave ideal laser amplification,output femtosecond ultrashort pulse laser and it provides quidance for design of laser amplifier.

laser amplification technique；high power；narrow pulse；stability

2013-08-03.

郑奇(1975- ), 男, 硕士,主要从事光电子学及物理学的研究.

O432.1+2

A

1008-8423(2013)03-0249-03