上海矽酸鹽所研製的Sm:YCOB晶體首次應用於新概念雷射技術驗證

2020-11-25 中國科學院

　　最近，上海交通大學雷射研究小組採用中國科學院上海矽酸鹽研究所非線性光學晶體材料研究小組製備的Sm:YCOB晶體，開展了新概念雷射技術原理性驗證實驗，實現了70%的泵浦光耗損和47%的信號光的內轉換效率，大幅度超越了當前已報導的啁啾脈衝OPA（Optical parametric amplification, OPA, 光參量放大）的國際最好結果，達到了傳統高效率二倍頻和三倍頻的技術水平，相關結果發表在Optica 2015, 2 (11), 1006-1009上。

　　雷射峰值功率由脈衝帶寬（脈寬）和效率（能量）確定，因此，完美型的強雷射放大器以超寬帶和高效率為特徵標誌。迄今為止，強雷射的啁啾脈衝放大（Chirped-pulse amplification, CPA）主要依賴於兩類寬帶雷射放大器，包括以鈦寶石為代表的能級型增益介質和光參量放大OPA，它們分別具有皮實高效和超大帶寬的特徵，但無法同時集兩個優點於一身。為挑戰超短超強雷射「超越拍瓦（>1015W）」極限，上海交通大學教授錢列加帶領的雷射研究小組近期提出了啁啾脈衝的「準參量放大（Quasi-parametric amplification，QPA）」新概念技術。QPA可被看作是OPA的一種變形和升華（唯一的改變在於將OPA晶體替換成QPA專用晶體），它同時具備能級放大器的高效率和OPA的超寬帶特徵，將為啁啾脈衝提供理想的放大環境。新提出的QPA放大方案可阻斷嚴重影響轉換效率的參量逆過程，完全消除信號光能量的非線性倒流問題。這是一種與能級放大器高度相似的準參量過程，具有多方面誘人的突出優點：（1）同時具備超大帶寬和接近理論極限的高效率；（2）不發生倒流逆過程，並對泵浦雷射以及位相失配不敏感。

　　為驗證QPA新概念，必須首先尋找或設計出能夠滿足QPA要求的非線性光學晶體材料，即能夠吸收閒頻光而不影響泵浦光和信號光透過的晶體。前期，上海矽酸鹽所非線性光學晶體材料研究小組與上海交通大學雷射研究小組緊密合作，摒棄了傳統的BBO和LBO等非線性光學晶體，基於基底非線性性能、結構相容、摻雜能級、偏析等多因素設計和實驗，最終設計確定了適合於532nm、800nm高透且1572nm吸收可調的目標體系。基底選用具有優良非線性光學性能且結構相容性較大的YCOB晶體，為QPA量身定製了摻雜稀土離子的Sm:YCOB晶體，可兼容最佳的超寬帶位相匹配條件。這一設計思路具有較大普適性，適用於不同匹配波長QPA的晶體材料設計問題。相關結果發表在CrystEngComm. 2013,15, 6244-6248上。

　　論文連結：1 2

 

　　圖1. 生長製備的不同Sm3+摻雜量的SmxY1-xCOB晶體（左圖）及其對應1572nm附近的近紅外吸收光譜（右圖）

 

　　圖2. 雷射實驗裝置原理圖及採用Sm:YCOB與BBO晶體分別實現QPA和OPA在轉換效率、相位失配容許、輸出光波形、壓縮脈寬等方面的對比

 

圖3. QPA過程中信號光（正方形）和閒頻光（圓形）轉換效率測試結果

　　最近，上海交通大學雷射研究小組採用中國科學院上海矽酸鹽研究所非線性光學晶體材料研究小組製備的Sm:YCOB晶體，開展了新概念雷射技術原理性驗證實驗，實現了70%的泵浦光耗損和47%的信號光的內轉換效率，大幅度超越了當前已報導的啁啾脈衝OPA（Optical parametric amplification, OPA, 光參量放大）的國際最好結果，達到了傳統高效率二倍頻和三倍頻的技術水平，相關結果發表在Optica 2015, 2 (11), 1006-1009上。
　　雷射峰值功率由脈衝帶寬（脈寬）和效率（能量）確定，因此，完美型的強雷射放大器以超寬帶和高效率為特徵標誌。迄今為止，強雷射的啁啾脈衝放大（Chirped-pulse amplification, CPA）主要依賴於兩類寬帶雷射放大器，包括以鈦寶石為代表的能級型增益介質和光參量放大OPA，它們分別具有皮實高效和超大帶寬的特徵，但無法同時集兩個優點於一身。為挑戰超短超強雷射「超越拍瓦（>1015W）」極限，上海交通大學教授錢列加帶領的雷射研究小組近期提出了啁啾脈衝的「準參量放大（Quasi-parametric amplification，QPA）」新概念技術。QPA可被看作是OPA的一種變形和升華（唯一的改變在於將OPA晶體替換成QPA專用晶體），它同時具備能級放大器的高效率和OPA的超寬帶特徵，將為啁啾脈衝提供理想的放大環境。新提出的QPA放大方案可阻斷嚴重影響轉換效率的參量逆過程，完全消除信號光能量的非線性倒流問題。這是一種與能級放大器高度相似的準參量過程，具有多方面誘人的突出優點：（1）同時具備超大帶寬和接近理論極限的高效率；（2）不發生倒流逆過程，並對泵浦雷射以及位相失配不敏感。
　　為驗證QPA新概念，必須首先尋找或設計出能夠滿足QPA要求的非線性光學晶體材料，即能夠吸收閒頻光而不影響泵浦光和信號光透過的晶體。前期，上海矽酸鹽所非線性光學晶體材料研究小組與上海交通大學雷射研究小組緊密合作，摒棄了傳統的BBO和LBO等非線性光學晶體，基於基底非線性性能、結構相容、摻雜能級、偏析等多因素設計和實驗，最終設計確定了適合於532nm、800nm高透且1572nm吸收可調的目標體系。基底選用具有優良非線性光學性能且結構相容性較大的YCOB晶體，為QPA量身定製了摻雜稀土離子的Sm:YCOB晶體，可兼容最佳的超寬帶位相匹配條件。這一設計思路具有較大普適性，適用於不同匹配波長QPA的晶體材料設計問題。相關結果發表在CrystEngComm. 2013,15, 6244-6248上。
　　論文連結：1 2
 
　　圖1. 生長製備的不同Sm3+摻雜量的SmxY1-xCOB晶體（左圖）及其對應1572nm附近的近紅外吸收光譜（右圖）
 
　　圖2. 雷射實驗裝置原理圖及採用Sm:YCOB與BBO晶體分別實現QPA和OPA在轉換效率、相位失配容許、輸出光波形、壓縮脈寬等方面的對比
 
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