[发明专利]基于磷酸盐的激光玻璃中的稀土离子发射带宽的增宽

说明书

技术领域

本发明涉及基于磷酸盐的玻璃作为固态激光增益介质的用途。特别地，本发明涉及增宽在基于磷酸盐的玻璃组合物中用作激光离子的稀土离子的发射带宽。认为通过杂化玻璃网络实现了发射带宽的增宽。

背景技术

众所周知磷酸盐激光玻璃用作高平均功率且高峰值能量的激光器系统的基质。参考例如Payne等人(US 5,663,972)，其公开了被描述为具有宽发射带宽的Nd掺杂的磷酸盐激光玻璃的用途。Hayden等人(US 5,526,369)也公开了Nd掺杂的磷酸盐激光玻璃。在这种情况下，据称所述激光玻璃理想地具有窄发射带宽(小于26nm)以便改进提取效率。在这种典型类型的激光器中，与发射带宽相比，激光器的发射较窄，且因此在超出所述窄带宽的波长(激光器在该波长下操作)之外的发射光实际上被浪费了。为此，希望有窄的发射带宽。

固态激光器的一个一般趋势是使高能激光器具有较短的脉冲宽度，其使脉冲中的功率达到很高的数值。例如，具有10纳秒脉冲宽度的10,000焦耳激光器发射1TW(1TW＝10000J/10纳秒)的功率。然而，对于使用极短脉冲(＜100飞秒脉冲或更短)的高峰值功率激光器来说，由已知磷酸盐激光玻璃提供的发射带宽与所需要的发射带宽相比太窄。为了解决这个问题，使用所谓的“混合”激光玻璃激光器设计。串联使用磷酸盐玻璃和硅酸盐玻璃以实现当前拍瓦激光器系统所需的总带宽。但是，使用混合玻璃的技术对于将来的艾瓦激光器系统是不够的。在有或没有串联使用的硅酸盐玻璃的情况下，都将需要新的宽带磷酸盐玻璃。

在“Terrawatt to pettawatt subpicosecond lasers”，M.D.Perry和G.Mourou，Science，264卷，917～924页(1994)中描述了使用具有较短脉冲宽度的高能激光器的趋向。这些激光器使用被称为啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，CPA)的技术来产生极短激光脉冲。为了有效工作，该技术需要具有尽可能大的发射带宽的增益介质。在表1中，M.D.Perry和G.Mourou描述了一些典型的固态激光器系统的发射带宽以及脉冲宽度和理论峰值。

一方面，此处公开的玻璃适于实现小于100飞秒的脉冲宽度和大于100kJ的输出能量。

缩短脉冲的关键之处在于对于激光跃迁获得具有宽发射带宽的增益材料。发射带宽与脉冲宽度之间的关系为：带宽×脉冲持续时间≥0.44。显然，为了实现更短的脉冲持续时间，希望确定具有宽的发射带宽的玻璃。

过渡金属掺杂的晶体提供宽的发射带宽。例如，在Laser Focus World，2008年4月，第19～20页中描述的Hercules激光器使用Ti掺杂的蓝宝石晶体。

制造超短脉冲宽度激光器的另一方法是使用稀土掺杂的玻璃。这类玻璃优于晶体的优势包括成本低、可用能量高(因为能够以高光学品质的大尺寸制造玻璃，而Ti掺杂的蓝宝石在尺寸上受限)，且可以实施较简单的设计，因为玻璃方法可以由闪光灯泵浦(Ti掺杂的蓝宝石短脉冲激光器由玻璃激光器泵浦，所述玻璃激光器又由闪光灯泵浦，因此玻璃方法不需要首先构造泵浦激光器)。

USP 5,663,972评价了宽带玻璃的适用性。该公开导致生成了由Schott North America，Inc出售的磷酸盐玻璃APG-2。APG-2提供了得到短脉冲激光器的可能性。然而，难以以高产率制造APG-2，且仍然需要具有更大发射带宽的材料。

具有宽的发射带宽的其它可用的商业玻璃为磷酸盐玻璃APG-1，其也由Schott North America，Inc销售。为此，在开发新的宽带增益材料期间，APG-1玻璃可以充当对比例。另外，也可以将商业玻璃IOG-1，具有窄的带宽发射曲线的常规磷酸盐玻璃用于比较的目的。用Nd和/或Yb掺杂的APG-1、APG-2和IOG-1为由Schott North America，Inc出售的商业激光玻璃。