Dataray光束分析儀與海洋光學(xué)光譜儀對YbYAG激光器前端激光系統(tǒng)研究
近日，北京大學(xué)在Optics Express上發(fā)表了論文[2]，展示了一種基于 Yb:YAG 固體激光器的高對比度前端激光系統(tǒng)，采用超快 Yb:YAG 固體激光器通過白光生成（WLG）產(chǎn)生寬譜光源，然后在1600納米附近對信號光進(jìn)行三級共線光學(xué)參量啁啾脈沖放大（OPCPA）。最后，通過飛秒倍頻（SHG）獲得中心波長為 795 納米、脈沖寬度為 40.2 飛秒、在 1 納秒內(nèi)對比度基線接近 10⁻¹²的激光輸出。
該系統(tǒng)如下圖所示：
該圖包含了3個部分：白光超連續(xù)譜生成（WLG）、三級光學(xué)參量啁啾脈沖放大（OPCPA1、OPCPA2、OPCPA3）和二次諧波生成（SHG），Yb:YAG激光器的輸出光束中心波長1030.1nm，輸出能量3.0mJ，脈寬1.5ps，然后注入WLG系統(tǒng)中。然后約為10μJ的1030nm泵浦光通過透鏡聚焦到晶體上（光譜區(qū)域可至2250nm）。接著，在OPCPA1系統(tǒng)中光束被篩選和準(zhǔn)直，然后與泵浦光一起聚焦在厚度為2.5 mm的非線性晶體MgO:PPLN上，實現(xiàn)了以1600nm為中心的0型準(zhǔn)相位匹配，使信號光放大到約2.6μJ。M1和DM5調(diào)節(jié)第一級泵浦光的空間方向，與晶體上的信號光精確共線重疊。DL1調(diào)節(jié)第一級泵浦光的光路長度，使其與1600nm中心波長附近的信號光在時間上同步OPCPA2還采用了0型準(zhǔn)相位匹配MgO:PPLN晶體，滿足中心波長1600nm。與OPCPA1不同的是晶體厚度為1.5mm，經(jīng)過OPCPA2后，當(dāng)泵浦光能量約為450μJ時，信號光可放大到約67μJ。在SHG之前，利用一組超寬帶啁啾反射鏡將脈沖壓縮到小于45fs。隨后，考慮到效率和帶寬，選擇了相匹配的BBO晶體用于SHG。晶體切割角度為19.8°，產(chǎn)生的脈沖約為94μJ，以795nm為中心，頻寬約為37nm。此外，整個激光系統(tǒng)非常緊湊，占地面積僅約1.56 m2 (1.2mx1.3m)，這有利于微型化超高強(qiáng)度激光系統(tǒng)。
上圖顯示了OPCPA系統(tǒng)各個階段的光譜演變，檢測設(shè)備是海洋光學(xué)的NIRQUEST系列的光譜儀。
Yb:YAG泵浦源（Yokogawa, AQ6370B）的光譜心波長為1030.1nm，光譜頻寬約為1.4nm。在YAG棒上產(chǎn)生WLG后，從中濾出的1400nm-1800nm光譜區(qū)域依次進(jìn)入OPCPA三段式放大過程，其中黑色、藍(lán)色和橙色分別代表OPCPA1、OPCPA2和OPCPA3的輸出光譜。為了在放大過程中增加頻譜寬度，我們利用信號的啁啾特性，實現(xiàn)各自增益中心波長的藍(lán)移和紅移。這使得OPCPA級的輸出光譜以1610 nm為中心，F(xiàn)WHM約為97 nm。SNS調(diào)制后的頻譜如圖c所示。SNS在光譜分布的1582 nm中心處出現(xiàn)了深度約30-40%的凹陷。同時，短波部分的光譜相對擴(kuò)大，中心波長向1592 nm移動。激光系統(tǒng)的最終光譜如圖d所示，中心波長約為795 nm，F(xiàn)WHM約為37 nm。
使用飛秒脈沖測量設(shè)備來診斷輸出脈沖的光譜相位和時間分布，如上圖所示，圖(a)顯示了光譜兩端的非光滑相位，而圖(b)顯示了實際脈沖寬度約為40 fs。
光束質(zhì)量和穩(wěn)定性也是評判激光的重要指標(biāo)，這里使用的設(shè)備是DataRay的WinCamD-LCM。
通過點中心的水平(X)和垂直(Y)采樣都是高斯分布。從實際的角度來看，確保光束穩(wěn)定的前端對于大型激光系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。使用f = 200 mm鏡頭，每10秒記錄一次焦點中心位置，持續(xù)3小時（DataRay,WinCamD -LCM），放大8倍的遠(yuǎn)場剖面圖如圖c左上角所示，光束指向穩(wěn)定性約為2.7 μrad (RMS)，其中X方向約為1.9μrad，Y方向約為1.8μrad，具有良好的方向穩(wěn)定性，沒有明顯的偏置。這種優(yōu)異的穩(wěn)定性可歸因于Yb: YAG泵浦激光器的高性能激光系統(tǒng)。
綜上所述，這篇論文報告了一個高對比度激光系統(tǒng)，由于結(jié)合了泵浦、OPCPA和SHG技術(shù)，該系統(tǒng)的整體性能非常卓越，其中心波長為795nm，寬帶寬為37nm，在1ns時間尺度上的長期ASE基線接近10-12。因此，該激光系統(tǒng)適合作為超高強(qiáng)度Ti：藍(lán)寶石晶體終端放大激光系統(tǒng)的高質(zhì)量前端。
參考文獻(xiàn)
1. 李興旺, 楊國利, 韓劍鋒, 王永國, 畢海, 徐學(xué)珍. 提拉法生長直徑 10 英寸優(yōu)質(zhì) Yb∶ YAG 激光晶體. 人工晶體學(xué)報 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.
海洋光學(xué) NIRQuest
Ocean Optics 海洋光學(xué)總部位于美國佛羅里達(dá)州，是微型光纖光譜儀的發(fā)明者，二十多年來仍然保持全球領(lǐng)先地位。海洋光學(xué)提供了從深紫外、可見到近紅外的光譜測量方案，可用于吸光度、反射率、透射率、熒光和拉曼光譜的測量。由于微型光譜儀體積小巧，可對全譜進(jìn)行快速采集，非常適用于在線、原位、便攜等應(yīng)用領(lǐng)域。產(chǎn)品廣泛用于生化、光電、航空航天、環(huán)境保護(hù)、安全檢測、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。
NIRQuest+ 是 Ocean Insight 的下一代 NIR 光譜儀。NIRQuest+ 系列采用改進(jìn)的光學(xué)工作臺設(shè)計，可實現(xiàn)更高的靈敏度性能，并提供非常適合 NIR 應(yīng)用的配置。
NIRQuest+ 提供三種版本，涵蓋 900-2450 nm 的不同波長。這些光譜儀非常適合各種應(yīng)用，包括水果分選的水分含量、塑料回收和化學(xué)濃度測量。光譜儀可用于實驗室或生產(chǎn)線上，例如在傳送帶上或樣品流中。可以測量吸收信號的非常小的變化，這是 NIR 中典型的諧波泛音。其更高的靈敏度可實現(xiàn)更好的測量精度，尤其是在弱光條件下。此外，在較長的波長下，NIRQuest+可在低噪聲水平下測量漫反射，從而在難以捕獲不同光譜特征的波長下獲得更清晰的光譜。
NIRQuest+是多功能的近紅外光譜儀，適用于從水分檢測到激光測量的應(yīng)用，它的響應(yīng)從900-2500nm。另外有自定義和預(yù)配置的NIRQuest+可選。也可以測量吸收信號的非常小的變化，這是典型的諧波泛音在近紅外。其高靈敏度的特點可以得到更高的測量精度，特別是在低光條件下。此外，在長波段NIRQuest+的低噪聲適用于漫反射，在光譜特征很難捕捉的波段，可以獲取到更清晰的光譜。
| NIRQuest+1.7 | NIRQuest+2.2 | NIRQuest+2.5 | |
| 波長 | 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) |
| 積分時間 | 1 ms-120 s | 1 ms-1 s | 1 ms-200 ms |
| 信噪比 | 13000:1 (典型) | 10000：1（典型） | |
| 入口狹縫 | 25 µm | ||
| 尺寸 | 182 x 110 x 47 mm3 | ||
| 重量 | 1.18 kg (不帶電源) | ||
Dataray WinCamD-LCM
美國 DataRay 公司成立于1988年，專業(yè)提供激光光束分析儀器，對激光光束的光斑大小，形狀和能量分布等參數(shù)進(jìn)行全面的測試和分析；可提供2D或3D的顯示，并對分析的結(jié)果進(jìn)行打印輸出。適合各種各樣的激光光束，幫助你對你的激光光束的品質(zhì)提供一個量化的結(jié)果。
WinCam D-LCM光束質(zhì)量分析儀體現(xiàn)了Dataray的理念：為客戶提供價格合理且高質(zhì)量的產(chǎn)品。自推出以來，它已成為最暢銷的旗艦產(chǎn)品。
WinCam D-LCM采用1英寸CMOS傳感器采用全局快門，使其適合連續(xù)/脈沖光，響應(yīng)波長低至190nm并不會影響性能。
產(chǎn)品特點：
190 - 1610nm波長范圍，使用CMOS探測器
分辨率 2048 x 2048
有效面積 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）
全局快門，可測連續(xù)光，也可測脈沖光，帶觸發(fā)功能
搭配導(dǎo)軌后可測M²值
應(yīng)用領(lǐng)域：
連續(xù)和脈沖激光輪廓分析
激光器和激光系統(tǒng)的現(xiàn)場維修
光學(xué)組裝和儀器對準(zhǔn)
光束漂移記錄
M²測量
| 型號 | WinCam D-LCM |
| 波長 | 355 - 1150 nm |
| 分辨率 | 4.2MPixel， 2048 x 2048 |
| 光學(xué)尺寸 | 1英寸 |
| 有效面積 | 11.3 x 11.3 mm |
| 像素尺寸 | 5.5 x 5.5 µm |
| 快門種類 | 全局 |
| 最大幀率 | 60 hz |
| 信噪比 | 2500：1 |
| 尺寸 | 46 x 46 x 20 mm |
| 重量 | 106 g |
| 軟件最低需求 | Windows 10 64位 |
聯(lián)系電話：0571-88077926；17774014546；18058745576
E-mail：jeanzhou@spl-tech.cn
