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Dataray光束分析仪与海洋光学光谱仪对YbYAG激光器前端激光系统研究

2025-07-24     来源:本站     点击次数:131

掺镱钇铝石榴石(Yb∶YAG)激光晶体由于具有适合激光二极管(LD)泵浦、能级结构简单、量子亏损低、物化性能好等诸多优点,已经成为最重要的高功率激光晶体材料之一,优质大尺寸的Yb∶YAG 晶体板条、盘片等介质元件是高功率固体激光器、重频大能量固体激光器发展亟需的关键增益介质。近年来,高功率固体激光器、重频大能量固体激光器不断向更高平均功率、更大脉冲能量方向发展[1]。

近日,北京大学在Optics Express上发表了论文[2],展示了一种基于 Yb:YAG 固体激光器的高对比度前端激光系统,采用超快 Yb:YAG 固体激光器通过白光生成(WLG)产生宽谱光源,然后在1600纳米附近对信号光进行三级共线光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)。最后,通过飞秒倍频(SHG)获得中心波长为 795 纳米、脉冲宽度为 40.2 飞秒、在 1 纳秒内对比度基线接近 10⁻¹²的激光输出。

该系统如下图所示:
该图包含了3个部分:白光超连续谱生成(WLG)、三级光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA1、OPCPA2、OPCPA3)和二次谐波生成(SHG),Yb:YAG激光器的输出光束中心波长1030.1nm,输出能量3.0mJ,脉宽1.5ps,然后注入WLG系统中。然后约为10μJ的1030nm泵浦光通过透镜聚焦到晶体上(光谱区域可至2250nm)。接着,在OPCPA1系统中光束被筛选和准直,然后与泵浦光一起聚焦在厚度为2.5 mm的非线性晶体MgO:PPLN上,实现了以1600nm为中心的0型准相位匹配,使信号光放大到约2.6μJ。M1和DM5调节第一级泵浦光的空间方向,与晶体上的信号光精确共线重叠。DL1调节第一级泵浦光的光路长度,使其与1600nm中心波长附近的信号光在时间上同步OPCPA2还采用了0型准相位匹配MgO:PPLN晶体,满足中心波长1600nm。与OPCPA1不同的是晶体厚度为1.5mm,经过OPCPA2后,当泵浦光能量约为450μJ时,信号光可放大到约67μJ。在SHG之前,利用一组超宽带啁啾反射镜将脉冲压缩到小于45fs。随后,考虑到效率和带宽,选择了相匹配的BBO晶体用于SHG。晶体切割角度为19.8°,产生的脉冲约为94μJ,以795nm为中心,频宽约为37nm。此外,整个激光系统非常紧凑,占地面积仅约1.56 m2 (1.2mx1.3m),这有利于微型化超高强度激光系统。

上图显示了OPCPA系统各个阶段的光谱演变,检测设备是海洋光学的NIRQUEST系列的光谱仪。

Yb:YAG泵浦源(Yokogawa, AQ6370B)的光谱心波长为1030.1nm,光谱频宽约为1.4nm。在YAG棒上产生WLG后,从中滤出的1400nm-1800nm光谱区域依次进入OPCPA三段式放大过程,其中黑色、蓝色和橙色分别代表OPCPA1、OPCPA2和OPCPA3的输出光谱。为了在放大过程中增加频谱宽度,我们利用信号的啁啾特性,实现各自增益中心波长的蓝移和红移。这使得OPCPA级的输出光谱以1610 nm为中心,FWHM约为97 nm。SNS调制后的频谱如图c所示。SNS在光谱分布的1582 nm中心处出现了深度约30-40%的凹陷。同时,短波部分的光谱相对扩大,中心波长向1592 nm移动。激光系统的最终光谱如图d所示,中心波长约为795 nm,FWHM约为37 nm。

使用飞秒脉冲测量设备来诊断输出脉冲的光谱相位和时间分布,如上图所示,图(a)显示了光谱两端的非光滑相位,而图(b)显示了实际脉冲宽度约为40 fs。

光束质量和稳定性也是评判激光的重要指标,这里使用的设备是DataRay的WinCamD-LCM。

通过点中心的水平(X)和垂直(Y)采样都是高斯分布。从实际的角度来看,确保光束稳定的前端对于大型激光系统的性能至关重要。使用f = 200 mm镜头,每10秒记录一次焦点中心位置,持续3小时(DataRay,WinCamD -LCM),放大8倍的远场剖面图如图c左上角所示,光束指向稳定性约为2.7 μrad (RMS),其中X方向约为1.9μrad,Y方向约为1.8μrad,具有良好的方向稳定性,没有明显的偏置。这种优异的稳定性可归因于Yb: YAG泵浦激光器的高性能激光系统。

综上所述,这篇论文报告了一个高对比度激光系统,由于结合了泵浦、OPCPA和SHG技术,该系统的整体性能非常卓越,其中心波长为795nm,宽带宽为37nm,在1ns时间尺度上的长期ASE基线接近10-12。因此,该激光系统适合作为超高强度Ti:蓝宝石晶体终端放大激光系统的高质量前端。

参考文献

1. 李兴旺, 杨国利, 韩剑锋, 王永国, 毕海, 徐学珍. 提拉法生长直径 10 英寸优质 Yb∶ YAG 激光晶体. 人工晶体学报 2023; 52(4):547-549.

2. Zhang H, Wu M, Geng Y, Chen C, Guo Y, Zhao Y, et al. High-contrast front end based on Yb: YAG solid-state laser for PW-level Ti: sapphire laser. Optics Express 2025; 33(2):3227-3237.

海洋光学 NIRQuest


 

Ocean Optics 海洋光学总部位于美国佛罗里达州,是微型光纤光谱仪的发明者,二十多年来仍然保持全球领先地位。海洋光学提供了从深紫外、可见到近红外的光谱测量方案,可用于吸光度、反射率、透射率、荧光和拉曼光谱的测量。由于微型光谱仪体积小巧,可对全谱进行快速采集,非常适用于在线、原位、便携等应用领域。产品广泛用于生化、光电、航空航天、环境保护、安全检测、农业等行业。

NIRQuest+ 是 Ocean Insight 的下一代 NIR 光谱仪。NIRQuest+ 系列采用改进的光学工作台设计,可实现更高的灵敏度性能,并提供非常适合 NIR 应用的配置。

NIRQuest+ 提供三种版本,涵盖 900-2450 nm 的不同波长。这些光谱仪非常适合各种应用,包括水果分选的水分含量、塑料回收和化学浓度测量。光谱仪可用于实验室或生产线上,例如在传送带上或样品流中。可以测量吸收信号的非常小的变化,这是 NIR 中典型的谐波泛音。其更高的灵敏度可实现更好的测量精度,尤其是在弱光条件下。此外,在较长的波长下,NIRQuest+可在低噪声水平下测量漫反射,从而在难以捕获不同光谱特征的波长下获得更清晰的光谱。

NIRQuest+是多功能的近红外光谱仪,适用于从水分检测到激光测量的应用,它的响应从900-2500nm。另外有自定义和预配置的NIRQuest+可选。也可以测量吸收信号的非常小的变化,这是典型的谐波泛音在近红外。其高灵敏度的特点可以得到更高的测量精度,特别是在低光条件下。此外,在长波段NIRQuest+的低噪声适用于漫反射,在光谱特征很难捕捉的波段,可以获取到更清晰的光谱。

  NIRQuest+1.7 NIRQuest+2.2 NIRQuest+2.5
波长 900-1700 nm 900-2200 nm 900-2500 nm
分辨率 3.13 nm FWHM(典型) 5.47 nm FWHM(典型) 6.25 nm FWHM(典型)
积分时间 1 ms-120 s 1 ms-1 s 1 ms-200 ms
信噪比 13000:1 (典型) 10000:1(典型)
入口狭缝 25 µm
尺寸 182 x 110 x 47 mm3
重量 1.18 kg (不带电源)


Dataray WinCamD-LCM

美国 DataRay 公司成立于1988年,专业提供激光光束分析仪器,对激光光束的光斑大小,形状和能量分布等参数进行全面的测试和分析;可提供2D或3D的显示,并对分析的结果进行打印输出。适合各种各样的激光光束,帮助你对你的激光光束的品质提供一个量化的结果。

WinCam D-LCM光束质量分析仪体现了Dataray的理念:为客户提供价格合理且高质量的产品。自推出以来,它已成为最畅销的旗舰产品。

WinCam D-LCM采用1英寸CMOS传感器采用全局快门,使其适合连续/脉冲光,响应波长低至190nm并不会影响性能。

产品特点:
190 - 1610nm波长范围,使用CMOS探测器
分辨率 2048 x 2048
有效面积 11.3  x 11.3 mm
像素尺寸 5.5 x 5.5 µm
信噪比 2500:1 (34 dB optical / 68 dB electrical)
全局快门,可测连续光,也可测脉冲光,带触发功能
搭配导轨后可测M²值

应用领域:
连续和脉冲激光轮廓分析
激光器和激光系统的现场维修
光学组装和仪器对准
光束漂移记录
M²测量

型号 WinCam D-LCM
波长 355 - 1150 nm
分辨率 4.2MPixel, 2048 x 2048
光学尺寸 1英寸
有效面积 11.3 x 11.3 mm
像素尺寸 5.5 x 5.5 µm
快门种类 全局
最大帧率 60 hz
信噪比 2500:1
尺寸 46 x 46 x 20 mm
重量 106 g
软件最低需求 Windows 10 64位
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