квантовый усилитель

Формула изобретения

1. Квантовый усилитель, состоящий из лазерных сред, активированных неодимом и иттербием, и средств оптической накачки, отличающийся тем, что лазерная среда выполнена, как минимум, из двух активных элементов, один из которых активирован иттербием, а другой - неодимом, причем спектры усиления активных элементов сдвинуты относительно друг друга по частоте, а 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.

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что лазерная среда выполнена в виде стеклянного моноблока, в котором стекла, активированные иттербием и неодимом, пространственно разнесены.

3. Усилитель по п.2, отличающийся тем, что стеклянный моноблок изготовлен спеканием стекол, активированных иттербием и неодимом.

4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что в лазерной среде используют несколько активных элементов, один из которых активирован иттербием, а остальные элементы различных составов активированы неодимом, спектры усиления которых сдвинуты относительно друг друга по частоте.

5. Усилитель по п.4, отличающийся тем, что в качестве активных элементов, активированных неодимом, используют фосфатные и силикатные стекла.

Описание изобретения к патенту

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.

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.

Известно, что длительность лазерного импульса - т _р связана с шириной его спектра - v соотношением:

Количественное соотношение между длительностью импульса и полушириной его спектра зависит от формы импульса.

Для импульсов Гауссовой формы зависимость интенсивности от времени описывается функцией вида:

где P(t) - огибающая форма импульса, P_p - пиковое значение амплитуды, т_р - длительность импульса на полувысоте импульса, t - время.

Для импульсов, форма которых описывается выражением (2), соотношение (1) может быть представлено в виде:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Для стекол, активированных иттербием, минимальная длительность лазерного импульса может составлять 15÷20 Фс, а максимальная пиковая мощность около 1 петаватт/см².

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Задачей изобретения является разработка квантового усилителя с шириной спектра усиления, превосходящей ширину спектра сред, активированных как иттербием, так и неодимом.

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.

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.

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.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлена зависимость полуширины спектра лазерного импульса Гауссовой формы от его длительности;

на фиг.2 изображена функциональная схема квантового усилителя;

на фиг.3 представлено схематическое изображение спектров усиления активного элемента из стекла, активированного иттербием, неодимом, и спектр усиления Yb-Nd квантового усилителя;

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;

на фиг.5 изображены спектры поглощения и люминесценции Yb³⁺ в серебросодержащих фосфатных стеклах, активированных иттербием;

на фиг.6 изображены спектры усиления иттербия в фосфатных стеклах при разной степени инверсии n₂, где n₂ - доля ионов иттербия в возбужденном состоянии Yb³⁺ (²F_5/2), 1 - n₂=0.2, 2 - n ₂=0.4, 3 - n₂=0.55, 4 - n₂=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;

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Для корректного анализа ширины спектра усиления необходимо его рассчитывать на основе полученных экспериментально сечений поглощения - _abs и эмиссии - _emis, 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 _abs=1.1·10^-20 см² , _emiss=1.16·10^-20 см² .

Определенные из экспериментальных данных сечения поглощения и эмиссии позволяют рассчитать спектр усиления (зависимость коэффициента усиления от длины волны) усилительного элемента из стекла, активированного иттербием.

Коэффициент усиления активной среды - g определяется как:

где L_g - длина активной среды, N_tot - объемная концентрация активатора - Yb ³⁺, n₂ - доля активатора в возбужденном состоянии Yb³⁺(²F_5/2), n₁ - доля активатора в основном состоянии Yb³⁺(² F_7/2), n₂+n₁=1.

Объемная концентрация активатора - иттербия составляет в исследованных стеклах N_tot=1,7·10²¹ см^-3 .

Спектры усиления иттербия в исследованных стеклах для разных уровней инверсии - n₂ приведены на фиг.6. Степень инверсии пропорциональна мощности накачки.

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.

В случае стекол, активированных неодимом, для лазерного перехода

Nd³⁺(⁴F_3/2) Nd³⁺(⁴/_11/2)

реализуется 4-х уровневая схема генерации, для которой коэффициент усиления описывается выражением (5):

где L_g - длина активной среды, N_tot - объемная концентрация активатора - неодима, n₂ - доля активатора в возбужденном состоянии Nd ³⁺(⁴F_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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 неодимом