钛宝石 (Ti:Al2O3) 激光晶体具有高硬度、高热导、宽带吸收、宽带发射等性能特点, 广泛应用于可调谐、高功率和超快激光领域。近年来, 钛宝石晶体的生长技术、基础理论分析和器件化应用都得到了极大的发展, 对其进行的研究也越来越深入、广泛。综述了钛宝石晶体材料研究和应用的主要进展。

钛宝石晶体是超强、超短脉冲激光振荡源广泛采用的工作物质,其口径大小和表面全频域波面误差决定了超短、超强激光系统的输出能量和光束质量,然而由于大口径钛宝石晶体光学均匀性差及硬度高的特点,其实现高精度透射波前和超光滑表面加工很具挑战性。针对这一问题,设计了线偏振干涉光源检测方法,解决了钛宝石晶体双折射导致的透射波前检测干涉条纹无法解析的问题;基于对钛宝石晶体材料光学均匀性的检测分析,发展了基于单轴机的透射波前快速抛光收敛工艺;通过正交实验和灰关联分析法,利用小磨头抛光工艺实现了钛宝石晶体高精度透射波前低频误差和超光滑表面高频误差的加工;为改善中频误差,发展了基于硅溶胶抛光液的小磨头中频误差光顺工艺。实验结果表明:多手段组合的加工工艺可以实现大口径钛宝石晶体全频域透射波前误差的有效控制,针对直径为120 mm的钛宝石样件,透射波前峰谷值可达0.283λ(λ=632.8 nm),中频功率谱密度无明显的特定频段调制误差,高频表面粗糙度Rq约为0.262 nm,可达到超光滑量级。

在基于钛宝石啁啾脉冲放大(CPA)技术获得拍瓦级输出的激光装置中, 光谱发射截面的不同和饱和放大的影响会使放大光谱产生增益窄化和光谱红移。光谱红移效应普遍存在于激光放大过程中, 尤其在高能量饱和放大时更加严重。基于中国科学院上海光学精密机械研究所5.0 PW激光装置的实验结果, 针对Apollon-10 PW激光装置的光谱控制, 在理论上提出一种基于光-光同步放大的光谱整形技术, 用以抑制高能量放大过程中的光谱红移。该技术基于传统的放大模型, 通过在功放级引入短脉冲抽运, 利用抽运光和啁啾种子光同步放大的方式抑制了光谱的红移。该技术无需引入任何其他光学器件, 也不会引入附加损耗, 操作简单。数值模拟结果表明, 利用该技术可以有效地对放大的光谱进行整形, 抑制了光谱红移效应。

介绍了基于啁啾脉冲放大(CPA)技术的100 TW级钛宝石激光装置SILEX-I.SILEX-I装置主要包括飞秒振荡器、Offner展宽器、多级放大器、以及对应的脉冲压缩器和靶室等.该装置可以输出5,30,100 TW级3个功率段,并分别配套相应的靶室系统,可以满足多种物理实验的需求.目前该装置的末级输出峰值功率达到286 TW,脉宽29.8 fs,靶面聚焦功率密度达到3.36×10²⁰ W/cm².

介绍了基于啁啾脉冲放大技术的20TW全钛宝石超短脉冲激光装置的研制.该装置的主放大器采用全像传递的空间四程放大构型,可以保持良好的近场分布和提高能量转换效率.主放大器的钛宝石晶体为φ30mm×15mm,6台调Q倍频的YAG激光器泵浦.压缩后脉宽50fs,能量1J,峰值功率可达20TW,聚焦功率大于3×10¹⁸W/cm2.

报道了用双频光栅剪切干涉术检测钛宝石晶体在Ar+激光器轴向泵浦下的热效应的方法，并给出用这种方法测量钛宝石晶体热透镜焦距随不同泵浦功率变化的实验结果。