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如何提高激光的功率?

作者:Andy 瀏覽: 發表時間:2018-04-08 15:42:44 來源:來自何卓銘科學網博客

激光是20世紀以來,在科技領域中繼原子能、計算機、半導體之後,人類的又一重大發明,堪稱新時代的“四大發明”之一。自1917年愛因斯坦提出了一整套受激輻射放大理論,直到1960年第一台激光器才正式問世。當然這其中經曆了很多的曲折,但是自誕生之日開始,由於激光一系列優異的特性,人們就預言到了激光將對人類文明產生深遠的影響。目前,激光應用已經遍及物理學、天文學、生物醫學、工業製造、通信、軍事等領域。小到一支激光筆,大到美國國家點火裝置(NIF)、中國的神光(SG)系列裝置都是用來產生特定激光的激光器。激光器的工作原理已經在第2期:什麼是激光的相幹性中詳細介紹了,這裏不再贅述。那麼問題來了,產生激光肯定不是我們的最終目標,我們現在又在追求什麼?更高功率、更高質量的激光,然後應用到更多的領域中去,對,就是這樣子。
     接下來進入正題,我們如何才能提高激光器的輸出功率。首先想到的是提高激光器的泵浦功率(能量),就像武俠中內力傳輸一樣,即使再笨(轉換效率低),隻要有足夠高的輸入,輸出自然就高。顯然,這隻是最低級的辦法,如何在資源一定的情況下,通過提高自身的修為(激光器)來提升輸出功率,才是我們想要的。
     講到這裏,不明真相的看官可能懵了,我們追求的激光參數到底是哪個?功率,能量還是其他?好吧,我們再來捋一下思路。能量除以時間等於功率,所以正常情況下,功率相對於能量更合適我們,舉個栗子,在相同能量的激光,在1s時間和在1min時間打到你身上,效果哪個強?毫無疑問,時間越短,功率越高,效果越厲害(差點說個“好”字)。細心的小夥伴可能發現了另外一個點,激光打在你身上一個點和打在你整個人身上,效果能一樣嗎?不一樣。顯然,結果出來了,我們追求的是單位面積內的激光功率(單位:W/m2),即激光能量密度或者叫激光功率密度。好的,那提高激光質量的主要內容(前面提到的轉換效率算一個,這個除外)就可以分為兩部分:第一部分,提高激光功率;第二部分:將激光聚焦到盡量小的面積上。那麼今天,就先講講如何提高激光的功率吧。

調Q技術

首先,介紹下第一種技術:調Q技術。國際慣例,先介紹下什麼是調Q。調Q技術是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈衝中,從而使激光光源的峰值功率提高幾個數量級的一種技術(脈衝寬度指的就是時間,通常我們所說的飛秒激光就是脈衝寬度為飛秒量級的激光)。
      好,那麼問題又來了,為什麼要壓縮?怎麼樣壓縮?
     在光學基礎知識大講堂第2期激光原理部分介紹過激光產生的條件:需要形成粒子數反轉。那麼當粒子數反轉超過一定值後,就會形成振蕩,產生激光。當激光發射以後,上能級粒子數就消耗掉了,所以振蕩就停止了,直到下一次粒子數累積後再反轉(專業術語:弛豫振蕩)。這也就是為什麼普通激光器峰值功率不能提高的原因(一般隻有千瓦數量級)。這就像大壩攔截水庫裏的水一樣,當水上漲超過大壩上沿,就會溢出,那如果想要一下子得到大量的水怎麼辦?提高大壩的高度,然後使水位上漲,每隔一定時間將大壩位置下降到原位,這樣就嘩啦一下能得到比原來高很多倍的水量。
     調Q利用的就是這個原理,大壩就是激光器固有的損耗值,通過改變損耗值就能控製粒子數反轉的閾值。改變激光器損耗的方法很多,比如轉鏡調Q、電光調Q、聲光調Q、飽和吸收調Q等。再以電光調Q為例,在激光器裏面新添加的器件是偏振片和電光晶體,然後通過周期控製電光晶體,使得其偏振方向與前面偏振片方向周期性轉變:平行或者垂直。偏振原理:當偏振片平行時,光全部通過;偏振片正交(即垂直)時,光全部攔截。當光全部攔截時就表示激光器的損耗非常非常大。調Q技術一般可以提高2個數量級的峰值功率,達到10^6W (MW)量級(^表示冪次方),脈寬為納秒量級左右。


1 電光調Q原理(圖片來源於網絡)

鎖模技術

那如果還要再提高峰值功率,縮短脈寬,調Q技術就實現不了了。接下來鎖模技術出場了。鎖模,也叫鎖相,顧名思義,就是鎖定激光器的模式,或者鎖定激光的相位。回顧下幹涉的原理:當電磁波(光)滿足一定的條件:相位差(光程差)恒定,振動方向一緻,就會產生幹涉。如圖2(b)所示,當鎖定不同激光縱模(即頻率)之間的相位差後,就會將大部分能量集中到幹涉增強處;圖2(b)為普通未鎖定相位的光強時域分布。通過這種方法,可以將脈衝寬度壓縮到皮秒量級,甚至到亞飛秒量級,功率達到10^9W(GW)量級。


2 鎖模技術原理

啁啾脈衝放大技術

然後在上面二種技術發明之後,在很長一段時間內,峰值功率都不能提高,因為再直接放大能量會引起非線性效應以及損傷光學元件,直到1985年啁啾脈衝放大(CPA)技術的發明。CPA技術不僅將峰值功率提升了近10個數量級,而且體積小、成本低,也避免了上述的問題,甚至成為類似於神光系列大裝置激光系統的基本手段。


3 啁啾脈衝放大技術原理(圖片來源於網絡)

CPA技術原理如圖3所示,結構上分為四部分:振蕩器、展寬器、放大器、壓縮器。原理就是先展寬、然後放大、再壓縮成高功率短脈衝的激光。這個好處就在於,極大地避免了在帶有增益介質的放大器中產生高峰值功率的激光,從而避免元件損傷等。
     當然,脈衝激光的峰值功率提高到這個量級後,我們追求的已經不單單是功率了,對比度也顯得非常重要(看到這裏的朋友,我很欣賞你,說明你是真的想了解這個技術,那我也就不怕對你講得更專業點了)。舉個栗子,當超短超強的脈衝激光密度高於10^17 W/cm2,而一般對比度差不多為10^6,那麼預脈衝(一般CPA采用多級放大)和放大自發輻射(ASE)的強度都會超過了10^11 W/cm2,這個強度等級已經足以與物質發生相互作用,從而改變主脈衝的初始狀態,進而對實驗結果產生重大影響。
     好的,那有沒有解決辦法?有。

光學參量啁啾脈衝放大技術

前面提到了啁啾脈衝放大技術的一些缺點,為了克服這些缺點,1992年提出了另一種光學參量啁啾脈衝放大(OPCPA)技術的思路,其原理就是把基於增益介質的放大器替換成基於非線性過程的參量放大器。接下來我再介紹下參量放大器的原理,自然就知道為什麼它可以克服上面的缺點了。
     光學參量放大(OPA)是指一束高頻率的光(泵浦光)和一束低頻率的光(信號光)同時進入非線性介質中,輸出中的信號光由於差頻效應而得到放大,當然於此同時會產生兩者光頻差的第三種相幹光,我們稱之為閑頻光(必須符合能量守恒定律)。


4 光學參量放大原理圖

由於該技術采用非線性晶體(例如KDP、BBO等),而不是利用增益介質的粒子數反轉,所以沒有熱效應,沒有ASE效應等,具有非常高的信噪比,我們的目的就達到了。細心的小夥伴會發現,參量放大會產生不同於信號光和泵浦光的第三種閑頻光,這不還可以用來拓寬激光光譜嗎?對的,Chinese Optics Letters 2016年第4期封面文章報道了南京大學祝世寧教授團隊的研究成果,就是利用光參量放大過程獲得高效率的中紅外皮秒激光輸出,比如1064nm波長的泵浦光,可以產生1466.5nm的信號光和3876nm的閑頻光(我們想要的),這是一般激光器不能夠產生的激光波長範圍。好了,本期就講到這裏,由於這些裏面涉及的技術太多,不能面面俱到,草草收尾,還望見諒!


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