RU2411621C1 - Quantum amplifier - Google Patents
Quantum amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2411621C1 RU2411621C1 RU2009133182/28A RU2009133182A RU2411621C1 RU 2411621 C1 RU2411621 C1 RU 2411621C1 RU 2009133182/28 A RU2009133182/28 A RU 2009133182/28A RU 2009133182 A RU2009133182 A RU 2009133182A RU 2411621 C1 RU2411621 C1 RU 2411621C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neodymium
- ytterbium
- activated
- gain
- glasses
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к твердотельным квантовым усилителям и может быть использовано при создании мощных импульсных лазерных систем с субпикосекундной и фемтосекундной (10-13-10-15 сек) длительностью лазерного импульса.The invention relates to solid-state quantum amplifiers and can be used to create powerful pulsed laser systems with subpicosecond and femtosecond (10 -13 -10 -15 sec) laser pulse duration.
Реализация лазерных систем с субпикосекундной и фемтосекундной длительностью лазерного импульса выдвигает дополнительные требования к спектральной ширине полосы усиления квантовых усилителей, которые отсутствуют при усилении более длинных импульсов, например наносекундных.The implementation of laser systems with subpicosecond and femtosecond laser pulses makes additional demands on the spectral bandwidth of amplification of quantum amplifiers, which are absent when amplifying longer pulses, for example, nanosecond ones.
Известно, что длительность лазерного импульса - тр связана с шириной его спектра - Δv соотношением:It is known that the duration of a laser pulse - t p is related to the width of its spectrum - Δv by the ratio:
Количественное соотношение между длительностью импульса и полушириной его спектра зависит от формы импульса.The quantitative ratio between the pulse duration and the half-width of its spectrum depends on the shape of the pulse.
Для импульсов Гауссовой формы зависимость интенсивности от времени описывается функцией вида:For Gaussian pulses, the dependence of the intensity on time is described by a function of the form:
где P(t) - огибающая форма импульса, Pp - пиковое значение амплитуды, тр - длительность импульса на полувысоте импульса, t - время.where P (t) is the envelope shape of the pulse, P p is the peak value of the amplitude, t p is the pulse duration at half the height of the pulse, t is time.
Для импульсов, форма которых описывается выражением (2), соотношение (1) может быть представлено в виде:For pulses, the shape of which is described by expression (2), relation (1) can be represented as:
С помощью выражения (3) можно рассчитать значение полуширины спектра лазерного импульса в зависимости от его длительности при заданной длине волны лазерного излучения. Результаты расчетов для длины волны 1 мкм приведены на фиг.1.Using expression (3), it is possible to calculate the half-width of the spectrum of a laser pulse depending on its duration at a given wavelength of laser radiation. The calculation results for a wavelength of 1 μm are shown in figure 1.
Как видно из фиг.1, Гауссов импульс с длительностью 100 Фс имеет полуширину 10 нм, в то время как типичная полуширина спектра усиления наиболее распространенных на практике неодимовых лазерных сред составляет 20÷30 нм.As can be seen from Fig. 1, a Gaussian pulse with a duration of 100 Fs has a half width of 10 nm, while the typical half width of the gain spectrum of the most common neodymium laser media in practice is 20–30 nm.
При распространении лазерного импульса через усиливающую среду, ширина спектра усиления которой сопоставима с шириной спектра лазерного импульса, происходит сужение спектра усиленного импульса и, как следствие, увеличение его длительности в силу соотношения (1), что сказывается на выходной мощности импульса. Физическая причина этого эффекта состоит в том, что наибольший коэффициент усиления обеспечивается для максимума спектра импульса, а спектральные компоненты на "хвостах" импульса усиливаются в меньшей степени.When a laser pulse propagates through an amplifying medium, the width of the gain spectrum of which is comparable to the width of the spectrum of a laser pulse, the spectrum of the amplified pulse narrows and, as a result, its duration increases due to relation (1), which affects the output power of the pulse. The physical reason for this effect is that the highest gain is provided for the maximum of the pulse spectrum, and the spectral components on the "tails" of the pulse are amplified to a lesser extent.
В статье А.А.Андреев, А.А.Мак, В.Е.Яшин. Генерация и применение сверхсильных лазерных полей (Обзор). («Квантовая электроника», т.24, № 2, 1997, с.99-114) численно проанализировано влияние ширины спектра усиления на распространение ультракороткого лазерного импульса и показано, что в случае усилителей на фосфатном неодимовом стекле, имеющем полуширину спектра усиления порядка 20 нм, при общем усилении 109 спектр импульса длительностью 100 Фс сужается в 4÷5 раз, а длительность сжатого импульса во столько же раз возрастает.In the article by A.A. Andreev, A.A. Mack, V.E. Yashin. Generation and application of superstrong laser fields (Review). (“Quantum Electronics”, v.24, No. 2, 1997, pp. 99-114), the influence of the gain spectrum width on the propagation of an ultrashort laser pulse is numerically analyzed and it is shown that in the case of amplifiers on phosphate neodymium glass having a half-width of the gain spectrum of about 20 nm, with a total gain of 10 9, the spectrum of a pulse with a duration of 100 Fs narrows by 4–5 times, and the duration of a compressed pulse increases by the same amount.
В связи со сказанным особую актуальность имеет поиск лазерных сред, имеющих как наибольшую ширину спектра усиления, так и время жизни возбужденного состояния для эффективной аккумуляции энергии накачки возбуждающего света, а также новых способов усиления ультракоротких лазерных импульсов.In connection with the foregoing, the search for laser media having both the largest width of the gain spectrum and the lifetime of the excited state for the efficient accumulation of pumping energy of exciting light, as well as new ways of amplifying ultrashort laser pulses, is of particular relevance.
В статье John Nees, Subrat Biswal, Frederic Druon, Jerome Faure, Mark Nantel, Gerard A. Mourou, Akihiko Nishimura, Hiroshi Takuma, Jiro Itatani, Jean-Christophe Chanteloup and Clemens Honninger. Ensuring Compactness, Reliability and Scalability for the Next Generation of High-Field Lasers (Invited Paper). (IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.4, NO.2, MARCH/APRIL 1998, p.376-384) проанализированы предельные возможности различных лазерных сред с точки зрения получения максимально достижимых значений пиковой мощности и минимальных значений длительности лазерных импульсов.In an article by John Nees, Subrat Biswal, Frederic Druon, Jerome Faure, Mark Nantel, Gerard A. Mourou, Akihiko Nishimura, Hiroshi Takuma, Jiro Itatani, Jean-Christophe Chanteloup and Clemens Honninger. Ensuring Compactness, Reliability and Scalability for the Next Generation of High-Field Lasers (Invited Paper). (IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 4, NO.2, MARCH / APRIL 1998, p.376-384) analyzed the extreme capabilities of various laser media in terms of obtaining the maximum achievable values of peak power and minimum values of laser pulse duration .
Из этого анализа следует, что для лазерных стекол (силикатных, фосфатных), активированных неодимом, теоретические минимальные значения лазерного импульса могут достигать значений 60÷70 Фс, а максимальная пиковая мощность 100 тераватт/см2.From this analysis it follows that for laser glasses (silicate, phosphate) activated by neodymium, the theoretical minimum values of the laser pulse can reach 60 ÷ 70 Fs, and the maximum peak power is 100 terawatt / cm 2 .
Для стекол, активированных иттербием, минимальная длительность лазерного импульса может составлять 15÷20 Фс, а максимальная пиковая мощность около 1 петаватт/см2.For ytterbium-activated glasses, the minimum laser pulse duration can be 15–20 Fs, and the maximum peak power is about 1 petawatt / cm 2 .
Детальное исследование возможностей стекол, активированных иттербием, для генерации и усиления ультракоротких импульсов выполнено в работе С.Hönninger, R.Paschotta, M.Graf, F.Morier-Genoud, G.Zhang, M.Moser, S.Biswal, J.Nees, A.Braun, G.A.Mourou, I.Johannsen, A.Giesen, W.Seeber, U.Keller. «Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers (Invited Paper)». (Appl. Phys. В 69, р.3-17 (1999)). Авторами работы проведен анализ преимуществ лазерных материалов, активированных иттербием, по сравнению с материалами, активированными неодимом, с точки зрения получения лазерных импульсов высокой мощности и минимальной длительности. В работе показано, что ширина спектров люминесценции иттербия значительно превышает ширину спектров люминесценции неодима, что позволяет обеспечить существенное сокращение длительности лазерных импульсов. Для стекол, активированных иттербием, экспериментально продемонстрирована возможность генерации лазерных импульсов длительностью 60 Фс.A detailed study of the possibilities of ytterbium-activated glasses for the generation and amplification of ultrashort pulses was carried out by C. Hönninger, R. Paschotta, M. Graf, F. Morier-Genoud, G. Zhang, M. Moser, S. Biswal, J. Nees , A. Braun, GAMourou, I. Johannsen, A. Giesen, W. Seeber, U. Keller. "Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers (Invited Paper)." (Appl. Phys. B 69, pp. 3-17 (1999)). The authors of the study analyzed the advantages of laser materials activated by ytterbium, compared with materials activated by neodymium, in terms of obtaining laser pulses of high power and minimum duration. It is shown in the paper that the width of the ytterbium luminescence spectra is significantly greater than the width of the neodymium luminescence spectra, which allows a significant reduction in the duration of laser pulses. For ytterbium-activated glasses, the possibility of generating laser pulses of 60 fs duration was experimentally demonstrated.
В патенте США № 5235606, опубликованном 10.08.1993, по кл. США 372/25, 372/69 и 372/20 описана лазерная система для усиления ультракоротких импульсов на основе лазерных стекол, активированных неодимом. Для увеличения ширины полосы усиления квантового усилителя в патенте предложено использовать составной усилитель, состоящий из лазерных стекол различных типов, активированных неодимом, спектры усиления которых сдвинуты относительно друг друга по частоте. В результате смещения по частоте спектров усиления отдельных элементов составного усилителя ширина суммарного спектра усиления превосходит ширину спектра усиления отдельных составляющих. Недостатком устройства является то, что ширина спектра усиления составного элемента на основе стекол, активированных неодимом, остается существенно меньше ширины спектра усиления стекол, активированных иттербием.In US patent No. 5235606, published 10.08.1993, according to CL. US 372/25, 372/69 and 372/20 describe a laser system for amplifying ultrashort pulses based on neodymium-activated laser glasses. To increase the gain bandwidth of a quantum amplifier, it is proposed in the patent to use a composite amplifier consisting of various types of laser glasses activated by neodymium, whose gain spectra are shifted relative to each other in frequency. As a result of the frequency shift of the gain spectra of the individual elements of the composite amplifier, the width of the total gain spectrum exceeds the width of the gain spectrum of the individual components. The disadvantage of this device is that the width of the gain spectrum of a composite element based on neodymium-activated glasses remains substantially less than the width of the gain spectrum of ytterbium activated glasses.
В патенте США № 5956354, опубликованном 21.09.1999, по кл. США 372/18, 372/23, 372/68, 372/94, 372/69 описана лазерная система, состоящая из задающего генератора на основе кристаллов, активированных неодимом, и усилителя на основе стекол, активированных неодимом. Кристаллы и стекла подбираются таким образом, что спектры люминесценции активатора-неодима в них максимальным образом перекрываются. Указанному условию отвечают следующие пары лазерных материалов: кристаллы Nd:YLF и Nd-фосфатное стекло, а также Nd:YAG и Nd-силикатное стекло. Недостатком устройства является то, что минимальная длительность лазерного импульса определяется шириной полосы усиления задающего генератора - лазерного кристалла. Для кристалла Nd:YLF полуширина спектра усиления составляет 6 см-1 (0,7 нм), а для кристалла Nd:YAG - 12 см-1 (1,4 нм) соответственно. Узкие спектры усиления задающего генератора позволяют получить лазерные импульсы длительностью около 2 пс.In US patent No. 5956354, published 09/21/1999, according to CL. US 372/18, 372/23, 372/68, 372/94, 372/69 describes a laser system consisting of a master oscillator based on crystals activated by neodymium and an amplifier based on glasses activated by neodymium. Crystals and glasses are selected in such a way that the luminescence spectra of the neodymium activator in them overlap as much as possible. The following pairs of laser materials meet this condition: Nd: YLF crystals and Nd-phosphate glass, as well as Nd: YAG and Nd-silicate glass. The disadvantage of this device is that the minimum duration of the laser pulse is determined by the gain bandwidth of the master oscillator - the laser crystal. For a Nd: YLF crystal, the half-width of the gain spectrum is 6 cm −1 (0.7 nm), and for a Nd: YAG crystal, it is 12 cm −1 (1.4 nm), respectively. Narrow gain spectra of the master oscillator make it possible to obtain laser pulses of about 2 ps duration.
В патенте США № 6212215, опубликованном 3.04.2001, по кл. США 372/68, 372/41, 372/6, М.кл. H01S 3/14 описана гибридная лазерная система, состоящая из задающего генератора на основе лазерных сред, активированных неодимом, и усилителя мощности, использующего в качестве активной среды кристаллы или стекла, активированные иттербием. Отличительной особенностью рассматриваемого подхода является то, что максимумы спектров усиления неодима и иттербия совпадают по длинам волн. Недостатком рассматриваемой гибридной лазерной системы является то, что минимальная длительность лазерного импульса определяется шириной спектра усиления задающего генератора на основе неодима, которая существенно меньше, чем ширина спектра усиления сред, активированных иттербием.In US patent No. 6212215, published April 3, 2001, according to CL. USA 372/68, 372/41, 372/6, M.C. H01S 3/14 describes a hybrid laser system consisting of a master oscillator based on neodymium-activated laser media and a power amplifier using ytterbium-activated crystals or glasses as an active medium. A distinctive feature of this approach is that the maxima of the gain spectra of neodymium and ytterbium coincide in wavelengths. The disadvantage of the hybrid laser system under consideration is that the minimum laser pulse duration is determined by the gain spectrum width of the neodymium-based master oscillator, which is substantially less than the gain spectrum width of ytterbium-activated media.
Общей чертой всех аналогов является то, что минимальная длительность лазерного импульса определяется шириной спектра усиления активных сред на основе неодима, которая существенно меньше, чем ширина спектра усиления сред, активированных иттербием, что не позволяет генерировать/усиливать лазерные импульсы с длительностью менее 100 Фс.A common feature of all analogues is that the minimum laser pulse duration is determined by the gain spectrum width of active media based on neodymium, which is significantly less than the gain spectrum width of ytterbium-activated media, which does not allow the generation / amplification of laser pulses with a duration of less than 100 Fs.
Наиболее близким к предлагаемому способу усиления ультракоротких лазерных импульсов является гибридная лазерная система по патенту США № 6212215, недостатком которой является узкий спектр усиления задающего генератора на основе сред, активированных неодимом.Closest to the proposed method for amplifying ultrashort laser pulses is a hybrid laser system according to US patent No. 6212215, the disadvantage of which is the narrow gain spectrum of a master oscillator based on media activated by neodymium.
Задачей изобретения является разработка квантового усилителя с шириной спектра усиления, превосходящей ширину спектра сред, активированных как иттербием, так и неодимом.The objective of the invention is to develop a quantum amplifier with a gain spectrum width exceeding the spectrum width of media activated by both ytterbium and neodymium.
Для достижения поставленной задачи предлагается квантовый усилитель, состоящий из лазерных сред, активированных неодимом и иттербием, и средств оптической накачки, причем лазерная среда выполнена как минимум из двух активных элементов, один из которых активирован иттербием, а другой неодимом, а спектры усиления активных элементов сдвинуты относительно друг друга по частоте, кроме того, средства оптической накачки выполнены с возможностью осуществлять накачку селективно в полосы поглощения иттербия и неодима на разных длинах волн с помощью полупроводниковых лазеров или светодиодов.To achieve this goal, a quantum amplifier is proposed, consisting of laser media activated by neodymium and ytterbium, and optical pumping means, the laser medium being made of at least two active elements, one of which is activated by ytterbium and the other by neodymium, and the gain spectra of the active elements are shifted relative to each other in frequency, in addition, the optical pumping means are configured to pump selectively into the absorption bands of ytterbium and neodymium at different wavelengths with oschyu semiconductor lasers or LEDs.
Так как полосы поглощения неодима и иттербия не перекрываются друг с другом, то излучение накачки активного элемента из стекла, активированного неодимом, не поглощается активным элементом из стекла, активированного иттербием, равно как излучение накачки активного элемента из стекла, активированного иттербием, не поглощается активным элементом из стекла, активированным неодимом. Поэтому активные элементы могут быть расположены в любой последовательности.Since the absorption bands of neodymium and ytterbium do not overlap, the pump radiation of the active element from glass activated by neodymium is not absorbed by the active element from ytterbium activated glass, nor is the pump radiation of the active element from glass ytterbium activated by the active element made of neodymium activated glass. Therefore, the active elements can be arranged in any order.
Спектр усиления Yb-Nd квантового усилителя представляет собой сумму спектров усиления отдельных активных элементов: активного элемента из стекла, активированного иттербием, и активного элемента из стекла, активированного неодимом.The gain spectrum of a Yb-Nd quantum amplifier is the sum of the gain spectra of the individual active elements: the active element from glass activated by ytterbium and the active element from glass activated by neodymium.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, гдеThe essence of the claimed invention is illustrated by drawings, where
на фиг.1 представлена зависимость полуширины спектра лазерного импульса Гауссовой формы от его длительности;figure 1 shows the dependence of the half-width of the spectrum of a laser pulse of a Gaussian shape on its duration;
на фиг.2 изображена функциональная схема квантового усилителя;figure 2 shows a functional diagram of a quantum amplifier;
на фиг.3 представлено схематическое изображение спектров усиления активного элемента из стекла, активированного иттербием, неодимом, и спектр усиления Yb-Nd квантового усилителя;figure 3 presents a schematic representation of the gain spectra of an active element of glass activated by ytterbium, neodymium, and the gain spectrum of a Yb-Nd quantum amplifier;
на фиг.4 представлено схематическое изображение спектров усиления активного элемента из фосфатного стекла, активированного иттербием 1, неодимом - 2, спектр усиления активного элемента силикатного стекла, активированного неодимом - 3, и спектр усиления Yb-Nd квантового усилителя - 4;figure 4 presents a schematic representation of the gain spectra of the active element of phosphate glass activated by
на фиг.5 изображены спектры поглощения и люминесценции Yb3+ в серебросодержащих фосфатных стеклах, активированных иттербием;figure 5 shows the absorption spectra and luminescence of Yb 3+ in silver-containing phosphate glasses activated by ytterbium;
на фиг.6 изображены спектры усиления иттербия в фосфатных стеклах при разной степени инверсии n2, где n2 - доля ионов иттербия в возбужденном состоянии Yb3+(2F5/2), 1 - n2=0.2, 2 - n2=0.4, 3 - n2=0.55, 4 - n2=0.6;figure 6 shows the gain spectra of ytterbium in phosphate glasses with different degrees of inversion n 2 , where n 2 is the fraction of ytterbium ions in the excited state Yb 3+ ( 2 F 5/2 ), 1 - n 2 = 0.2, 2 - n 2 = 0.4, 3 - n 2 = 0.55, 4 - n 2 = 0.6;
на фиг.7 изображены спектры усиления стекол, активированных иттербием - 1, неодимом - 2 в фосфатных стеклах одного и того же состава. Степень инверсии - n2 в стеклах, активированных иттербием, n2=0,2;7 shows the gain spectra of glasses activated by ytterbium - 1, neodymium - 2 in phosphate glasses of the same composition. The degree of inversion is n 2 in ytterbium-activated glasses, n 2 = 0.2;
на фиг.8 изображены спектры усиления стекол, активированных иттербием - 1, неодимом - 2 и Yb-Nd квантового усилителя - 3, 4 при разных уровнях накачки активного элемента из стекла, активированного неодимом: G(Nd)=0.5G(Yb) - 3, G(Nd)=G(Yb) - 4, где G - коэффициент усиления в максимуме полосы активатора. Степень инверсии - n2 в стеклах, активированных иттербием, n2=0,2.on Fig shows the gain spectra of glasses activated by ytterbium - 1, neodymium - 2 and Yb-Nd of the quantum amplifier - 3, 4 at different pump levels of the active element from glass activated by neodymium: G (Nd) = 0.5G (Yb) - 3, G (Nd) = G (Yb) - 4, where G is the gain at the maximum of the activator band. The degree of inversion is n 2 in ytterbium-activated glasses, n 2 = 0.2.
Функциональная схема квантового усилителя представлена на фиг.2, где 1, 2 - полупроводниковые лазеры накачки с длиной волны излучения, соответствующей полосам поглощения неодима и иттербия соответственно, 3 - микрообъективы, 4 - волоконный световод, 5 - активный элемент из стекла, активированного иттербием, 6 - активный элемент из стекла, активированного неодимом.The functional diagram of a quantum amplifier is shown in Fig. 2, where 1, 2 are semiconductor pump lasers with a radiation wavelength corresponding to the absorption bands of neodymium and ytterbium, respectively, 3 are micro-lenses, 4 is a fiber light guide, 5 is an active element made of ytterbium activated glass, 6 - active element of glass activated by neodymium.
На фиг.3 схематически изображены спектр усиления активного элемента из стекла, активированного иттербием - 1, спектр усиления активного элемента из стекла, активированного неодимом - 2, и спектр усиления Yb-Nd квантового усилителя - 3.Figure 3 schematically shows the gain spectrum of the active element from glass activated by ytterbium-1, the gain spectrum of the active element from glass activated by neodymium-2, and the gain spectrum of the Yb-Nd quantum amplifier - 3.
В отличие от прототипа спектр усиления активного элемента из стекла, активированного иттербием, сдвинут по частоте (длине волны) относительно спектра усиления активного элемента из стекла, активированного неодимом. Поэтому спектр усиления Yb-Nd квантового усилителя превосходит по ширине спектры усиления отдельных активных элементов, выполненных из стекла, активированного иттербием, и стекла, активированного неодимом.In contrast to the prototype, the gain spectrum of the active element of glass activated by ytterbium is shifted in frequency (wavelength) relative to the gain spectrum of the active element of glass activated by neodymium. Therefore, the gain spectrum of the Yb-Nd quantum amplifier is wider than the gain spectra of individual active elements made of ytterbium-activated glass and neodymium-activated glass.
Дальнейшим развитием предлагаемого подхода может быть использование в Yb-Nd квантовом усилителе не двух, а трех и более усилительных элементов, один из которых изготовлен из стекла, активированного иттербием, а остальные из стекол, активированных неодимом, различных составов. При этом спектры усиления стекол, активированных неодимом, должны быть сдвинуты относительно друг друга по частоте. Такая ситуация реализуется, в частности, для фосфатных и силикатных лазерных стекол, активированных неодимом, у которых максимуму полосы усиления соответствуют длины волн 1054 нм и 1060 нм соответственно. Иллюстрацией сказанного является фиг.4, на которой схематически изображены спектры усиления активных элементов, изготовленных из стекол, активированных иттербием и неодимом, а также спектр усиления квантового усилителя, состоящего из трех активных элементов.A further development of the proposed approach may be the use of not only two, but three or more amplifying elements in a Yb-Nd quantum amplifier, one of which is made of ytterbium activated glass, and the rest of neodymium-activated glasses of various compositions. In this case, the gain spectra of neodymium-activated glasses should be shifted relative to each other in frequency. This situation is realized, in particular, for phosphate and silicate laser glasses activated by neodymium, for which the maximum gain bands correspond to wavelengths of 1054 nm and 1060 nm, respectively. An illustration of the foregoing is FIG. 4, which schematically shows the gain spectra of active elements made of ytterbium and neodymium activated glasses, as well as the gain spectrum of a quantum amplifier consisting of three active elements.
Одним из возможных путей реализации предлагаемого изобретения может быть квантовый усилитель, состоящий из активных элементов в виде дисков (пластин), изготовленных из лазерных стекол, активированных иттербием и неодимом. Толщина диска, а также концентрация активатора определяются конкретными конструктивными особенностями лазерной системы и выбранным способом накачки: продольная, поперечная, волноводная. Возможная оптическая схема такого усилителя приведена на фиг.2.One of the possible ways of implementing the present invention may be a quantum amplifier consisting of active elements in the form of disks (plates) made of laser glasses activated by ytterbium and neodymium. The thickness of the disk, as well as the concentration of the activator are determined by the specific design features of the laser system and the selected pumping method: longitudinal, transverse, waveguide. A possible optical design of such an amplifier is shown in FIG. 2.
Yb-Nd квантовый усилитель может быть конструктивно выполнен не в виде отдельных усилительных элементов, а в виде моноблока, когда усилительные элементы в виде пластины из стекол, активированных иттербием и неодимом, соединены друг с другом, например, спеканием стекол. Такой подход упрощает конструкцию квантового усилителя, облегчает изготовление высокоточных оптических элементов и их последующую юстировку при изготовлении квантового усилителя.A Yb-Nd quantum amplifier can be constructed not as separate amplifying elements, but as a monoblock when the amplifying elements in the form of a plate of glasses activated by ytterbium and neodymium are connected to each other, for example, by sintering glasses. This approach simplifies the design of a quantum amplifier, facilitates the manufacture of high-precision optical elements and their subsequent adjustment in the manufacture of a quantum amplifier.
Конкретным примером реализации являются результаты численного моделирования спектров усиления активных элементов, изготовленных из фосфатных стекол, активированных иттербием и неодимом, полученных нами на основе экспериментального исследования спектров поглощения и люминесценции указанных стекол.A concrete implementation example is the results of numerical simulation of the gain spectra of active elements made of phosphate glasses activated by ytterbium and neodymium, obtained by us on the basis of an experimental study of the absorption and luminescence spectra of these glasses.
В случае иттербиевых стекол, где генерация реализуется по 3-х уровневой схеме, спектр усиления сильно отличается от спектра люминесценции из-за сильной реабсорбции люминесценции. Этот вывод следует из экспериментальных данных, приведенных на фиг.5. На фиг.5 представлены спектры поглощения - 1 и люминесценции - 2 фосфатного стекла, активированного иттербием. Люминесценция иттербия возбуждалась излучением полупроводникового лазера с длиной волны излучения 965 нм.In the case of ytterbium glasses, where the generation is realized according to a 3-level scheme, the gain spectrum is very different from the luminescence spectrum due to the strong reabsorption of luminescence. This conclusion follows from the experimental data shown in figure 5. Figure 5 presents the absorption spectra of 1 and luminescence of 2 phosphate glass activated by ytterbium. Ytterbium luminescence was excited by radiation from a semiconductor laser with a wavelength of 965 nm.
Для корректного анализа ширины спектра усиления необходимо его рассчитывать на основе полученных экспериментально сечений поглощения - σabs и эмиссии - σemis, спектр которых совпадает со спектрами поглощения и люминесценции. Абсолютные значения сечений поглощения и люминесценции в максимуме полос определены расчетным образом и равны для исследованных стекол σabs=1.1·10-20 см2, σemiss=1.16·10-20 см2.For a correct analysis of the width of the gain spectrum, it is necessary to calculate it on the basis of experimentally obtained absorption cross sections - σ abs and emission - σ emis , whose spectrum coincides with the absorption and luminescence spectra. The absolute values of the absorption and luminescence cross sections at the maximum of the bands are calculated and are equal for the studied glasses σ abs = 1.1 · 10 -20 cm 2 , σ emiss = 1.16 · 10 -20 cm 2 .
Определенные из экспериментальных данных сечения поглощения и эмиссии позволяют рассчитать спектр усиления (зависимость коэффициента усиления от длины волны) усилительного элемента из стекла, активированного иттербием.The absorption and emission cross sections determined from the experimental data make it possible to calculate the gain spectrum (dependence of the gain on the wavelength) of the ytterbium-activated glass reinforcing element.
Коэффициент усиления активной среды - g определяется как:The gain of the active medium - g is defined as:
где Lg - длина активной среды, Ntot - объемная концентрация активатора - Yb3+, n2 - доля активатора в возбужденном состоянии Yb3+(2F5/2), n1 - доля активатора в основном состоянии Yb3+(2F7/2), n2+n1=1.where L g is the length of the active medium, N tot is the volume concentration of the activator - Yb 3+ , n 2 is the fraction of the activator in the excited state Yb 3+ ( 2 F 5/2 ), n 1 is the fraction of the activator in the ground state of Yb 3+ ( 2 F 7/2 ), n 2 + n 1 = 1.
Объемная концентрация активатора - иттербия составляет в исследованных стеклах Ntot=1,7·1021 см-3.The volume concentration of the activator - ytterbium in the studied glasses is N tot = 1.7 · 10 21 cm -3 .
Спектры усиления иттербия в исследованных стеклах для разных уровней инверсии - n2 приведены на фиг.6. Степень инверсии пропорциональна мощности накачки.The amplification spectra of ytterbium in the studied glasses for different levels of inversion - n 2 are shown in Fig.6. The degree of inversion is proportional to the pump power.
Как следует из данных, приведенных на фиг.6, спектры усиления иттербия сильно отличаются от спектров люминесценции - фиг.5 и уширяются при увеличении степени инверсии - n2. При относительно низких уровнях накачки (n2=0.2) полуширина спектра усиления составляет около 50 нм.As follows from the data shown in Fig.6, the gain spectra of ytterbium are very different from the luminescence spectra - Fig.5 and broaden with increasing degree of inversion - n 2 . At relatively low pump levels (n 2 = 0.2), the half-width of the gain spectrum is about 50 nm.
В случае стекол, активированных неодимом, для лазерного переходаIn the case of neodymium-activated glasses, for the laser transition
Nd3+(4F3/2)→Nd3+(4/11/2)Nd 3+ (4 F 3/2) → Nd 3+ (4 / 11.02)
реализуется 4-х уровневая схема генерации, для которой коэффициент усиления описывается выражением (5):a 4-level generation scheme is implemented, for which the gain is described by expression (5):
где Lg - длина активной среды, Ntot - объемная концентрация активатора - неодима, n2 - доля активатора в возбужденном состоянии Nd3+(4F3/2).where L g is the length of the active medium, N tot is the volume concentration of the activator neodymium, n 2 is the fraction of the activator in the excited state Nd 3+ ( 4 F 3/2 ).
Из (5) следует, что форма спектра усиления неодимовых стекол в отличие от стекол, активированных иттербием, совпадает с формой спектра люминесценции неодима и не зависит от степени инверсии, т.е от интенсивности накачки.It follows from (5) that the shape of the gain spectrum of neodymium glasses, unlike glasses activated by ytterbium, coincides with the shape of the luminescence spectrum of neodymium and does not depend on the degree of inversion, i.e., on the pump intensity.
Спектр усиления неодима в исследованных стеклах приведен на фиг.7, где 1 - спектр усиления иттербия при степени инверсии n2=0.2 и 2 - спектр усиления неодима в стеклах того же состава. Накачка усилительного элемента из стекла, активированного неодимом, осуществлялась излучением полупроводникового лазера с длиной волны 800 нм, объемная концентрация ионов активатора составляет 5·1020 см-3.The neodymium gain spectrum in the studied glasses is shown in Fig. 7, where 1 is the ytterbium gain spectrum with an inversion degree n 2 = 0.2 and 2 is the neodymium gain spectrum in glasses of the same composition. The amplifying element made of neodymium-activated glass was pumped by radiation from a semiconductor laser with a wavelength of 800 nm, the volume concentration of activator ions was 5 · 10 20 cm -3 .
Как следует из данных, приведенных на фиг.7, максимум спектра усиления неодима сдвинут относительно спектра усиления иттербия приблизительно на 30 нм в длинноволновую область спектра, а полуширина спектра усиления иттербия приблизительно в два раза больше, чем в неодимовых стеклах, и составляет около 50 нм.As follows from the data shown in Fig. 7, the maximum of the neodymium gain spectrum is shifted relative to the ytterbium gain spectrum by approximately 30 nm to the long-wavelength region of the spectrum, and the half-width of the ytterbium gain spectrum is approximately two times larger than in neodymium glasses and is about 50 nm .
Сдвиг спектров усиления иттербия и неодима в исследованных стеклах позволяет реализовать в Yb-Nd усилительном элементе спектр усиления, полуширина которого больше, чем полуширина спектров усиления отдельных составных элементов усилителя.A shift in the gain spectra of ytterbium and neodymium in the glasses under study makes it possible to realize a gain spectrum in the Yb-Nd amplifier element whose half width is greater than the half width of the gain spectra of the individual components of the amplifier.
Для квантового усилителя, состоящего из иттербиевого и неодимового активных элементов, спектр усиления представляет собой сумму спектров усиления составных элементов, каждый из которых независимо усиливает входной лазерный импульс в своей полосе усиления. Так как оптическая накачка иттербиевых и неодимовых усилительных элементов осуществляется независимо на разных длинах волн - 965 нм и 800 нм соответственно, то форму спектра усиления Yb-Nd квантового усилителя можно варьировать в широких пределах, изменяя мощность накачки (степень инверсии) иттербиевого или неодимового стекла.For a quantum amplifier consisting of ytterbium and neodymium active elements, the gain spectrum is the sum of the gain spectra of the constituent elements, each of which independently amplifies the input laser pulse in its gain band. Since the optical pumping of ytterbium and neodymium amplifier elements is carried out independently at different wavelengths - 965 nm and 800 nm, respectively, the shape of the gain spectrum of the Yb-Nd quantum amplifier can be varied over a wide range by changing the pump power (degree of inversion) of ytterbium or neodymium glass.
Примером реализации предлагаемого изобретения (усиления ультракоротких лазерных импульсов) являются результаты моделирования спектров усиления Yb-Nd квантового усилителя, полученные из спектров усиления иттербия и неодима в фосфатных стеклах одного и того же состава. Эти данные представлены на фиг.8.An example of the implementation of the invention (amplification of ultrashort laser pulses) are the results of modeling the gain spectra of a Yb-Nd quantum amplifier obtained from the gain spectra of ytterbium and neodymium in phosphate glasses of the same composition. These data are presented in FIG.
При выключении накачки неодима спектр усиления Yb-Nd квантового усилителя совпадает со спектром усиления активного элемента из стекла, активированного иттербием, с полушириной 49,4 нм. При отключении накачки иттербия спектр усиления Yb-Nd квантового усилителя совпадает со спектром усиления активного элемента из стекла, активированного неодимом, максимум которого сдвинут относительно максимума спектра иттербия в длинноволновую область на 29,4 нм, и имеет полуширину 24,4 нм. При одновременной накачке иттербия и неодима, когда величина коэффициента усиления активного элемента из стекла, активированного неодимом, равна половине величины коэффициента усиления активного элемента из стекла, активированного иттербием, интегральный спектр усиления уширяется и его полуширина составляет 55,7 нм.When the neodymium pump is turned off, the gain spectrum of the Yb-Nd quantum amplifier coincides with the gain spectrum of the ytterbium-activated glass active element with a half width of 49.4 nm. When ytterbium pump is switched off, the gain spectrum of the Yb-Nd quantum amplifier coincides with the gain spectrum of the active element made of neodymium-activated glass, whose maximum is shifted relative to the maximum of the ytterbium spectrum by 29.4 nm and has a half width of 24.4 nm. With simultaneous pumping of ytterbium and neodymium, when the gain of the active element from glass activated by neodymium is equal to half the gain of the active element from glass activated by ytterbium, the integrated gain spectrum broadens and its half-width is 55.7 nm.
Приведенные данные являются экспериментальным доказательством того, что ширина спектра Yb-Nd квантового усилителя превосходит ширину спектра усиления активных элементов, изготовленных как из стекол, активированных неодимом, так и активных элементов, изготовленных из стекол, активированных иттербием. Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу: разработку квантового усилителя с шириной спектра усиления, превосходящей ширину спектра сред, активированных как иттербием, так и неодимомThe data presented are experimental evidence that the spectrum width of the Yb-Nd quantum amplifier exceeds the width of the gain spectrum of active elements made from neodymium-activated glasses and active elements made from ytterbium-activated glasses. Thus, the proposed device solves the problem: the development of a quantum amplifier with a gain spectrum width exceeding the spectrum width of media activated by both ytterbium and neodymium
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009133182/28A RU2411621C1 (en) | 2009-08-28 | 2009-08-28 | Quantum amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009133182/28A RU2411621C1 (en) | 2009-08-28 | 2009-08-28 | Quantum amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2411621C1 true RU2411621C1 (en) | 2011-02-10 |
Family
ID=46309398
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009133182/28A RU2411621C1 (en) | 2009-08-28 | 2009-08-28 | Quantum amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2411621C1 (en) |
-
2009
- 2009-08-28 RU RU2009133182/28A patent/RU2411621C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fan | Optimizing the efficiency and stored energy in quasi-three-level lasers | |
RU2746445C2 (en) | High power amplifier on a crystal doped with rare earth elements, based on a superlow quantum defected injection circuit using single-mode or low-mode fiber lasers | |
Raybaut et al. | Numerical and experimental study of gain narrowing in ytterbium-based regenerative amplifiers | |
Kalaycioglu et al. | Influence of doping concentration on the power performance of diode-pumped continuous-wave Tm/sup 3+: YAlO/sub 3/lasers | |
Patel et al. | New formalism for the analysis of passively Q-switched laser systems | |
Venikouas et al. | Spectroscopy of Y 3 Al 5 O 12: Nd 3+ under high-power, picosecond-pulse excitation | |
Kliewer et al. | Excited state absorption of pump radiation as a loss mechanism in solid-state lasers | |
Noginov et al. | Random laser thresholds in cw and pulsed regimes | |
US7046710B2 (en) | Gain boost with synchronized multiple wavelength pumping in a solid-state laser | |
Gomes et al. | Spectroscopic properties of ytterbium, praseodymium-codoped fluorozirconate glass for laser emission at 3.6 μm | |
RU2411621C1 (en) | Quantum amplifier | |
Behrouzinia et al. | Frequency dependence of amplifying parameters of a copper vapor laser using air as a buffer gas | |
Ali et al. | Initial Transmission Influence on Saturable Absorber Absorption Activity of Passive Q-Switching Erbium-Doped Fiber Laser System | |
Savitski et al. | Experiment and modeling of a diode-pumped 1.3 μm Nd: YVO 4 laser passively Q-switched with PbS-doped glass | |
Copeland et al. | Wide-bandwidth Tm-based amplifier for laser acceleration driver | |
RU2541735C1 (en) | Solid-state active element | |
Bogdanovich et al. | Amplified luminescence and nonaxial radiation modes in the active elements of high-power diode side-pumped solid-state lasers | |
US20240055824A1 (en) | High-energy high-power diode pumped broadband laser | |
Cellamare et al. | Initial development of diode-pumped multipass laser amplifier based on Tm: Lu2O3 around 2 μm | |
Shadood et al. | Effect of Saturable Absorber Length on Characteristics of Dual Laser Pulses of Passive Q-Switched | |
Novo-Gradac et al. | Infrared to violet up-conversion in YLiF4: Nd3+ | |
Vázquez-Córdova et al. | 13 dB/cm gain per unit length at 1.53 µm in KGdxLuyEr1-xy (WO4) 2 channel waveguides, allowing for~ 40 dB total gain | |
George et al. | Ultra-broad band glass for short pulsed laser applications | |
Kryukov et al. | Production of subpicosecond gigawatt laser pulses for kinetic spectroscopy | |
Georgiev et al. | Picosecond Crystal Fiber Amplifier for High Average and Peak Power Compact Lasers with Diffraction Limited Output |