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    國內薄片飛秒激光器領域研究獲重大進展
    材料來源:中科院物理所           錄入時間:2022/11/10 15:20:09

    摻鈦藍寶石晶體作為迄今產生超快激光最優異的增益介質,結合克爾透鏡鎖模(KLM)和啁啾脈沖放大(CPA)技術,可得到大于10PW的峰值功率及小于4fs的少周期脈沖,成為人們開展極端非線性光學、超快動力學、精密測量等前沿研究的重要工具,極大地促進了強場激光物理、阿秒物理等學科的創新發展。由于熱效應和泵浦激光功率等的限制,飛秒鈦寶石激光的平均功率一直停滯在20W左右,嚴重限制了其在精密加工、阿秒脈沖產生等對重復頻率及平均功率有要求的重要應用。近年來,基于Yb光纖及全固態結構的飛秒激光由于高平均功率輸出能力,作為第三代飛秒激光而倍受青睞,特別是采用薄片(也稱之為碟片)結構的固體Yb激光由于高脈沖能量、高平均功率及高光束質量等特性,成為人們的重要選擇。

    中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心L07組基于長期從事飛秒激光的研究積累及對未來發展的認識,很早就開始了薄片飛秒激光器的探索研究,先后實現了重復頻率10Hz的薄片飛秒鈦寶石激光的再生放大【中國激光. 39, 0902011 (2012)】及50MHz全固態飛秒Yb:YAG激光的克爾透鏡鎖!綜hin. Phys. B 25, 094207 (2016)】,得到了單脈沖能量及平均功率遠優于常規鈦寶石晶體為增益介質的同類方案結果,并表現出優良的光束質量。在此基礎上,針對綜合極端條件實驗裝置建設及眾多應用研究對高平均功率飛秒鈦寶石激光的需求,他們進一步聯合西安電子科技大學等單位,開展了1kHz重復頻率的薄片飛秒鈦寶石激光放大研究,通過有效降低熱積累引入的熱透鏡效應,得到了光束質量近衍射極限、平均功率可擴展的放大結果,這也是迄今首次實現的kHz重復頻率薄片鈦寶石激光放大,為突破飛秒鈦寶石激光平均功率的瓶頸提供了有意義的新方案。

    圖1薄片飛秒鈦寶石放大器光路示意圖

    圖1所示為該研究工作核心部分的光路示意圖,由自建的亞20fs鈦寶石激光振蕩器輸出的飛秒種子脈沖經馬丁內茲展寬器展寬至約300ps后,注入到薄片鈦寶石晶體為增益介質的再生放大器進行能量放大。實驗中所用鈦寶石晶體的厚度為2mm,后表面鍍有對泵浦激光和增益激光均高反的反射膜,并焊接在W80Cu20合金熱沉上,熱沉接外循環水,溫度控制在14℃。泵浦方式采用6通結構的多通泵浦方案,可達到對泵浦激光90%的吸收。通過在再生腔內放置焦距為1.5m的平凸透鏡調節晶體上的模式尺寸,在1kHz的重復頻率下,經腔內往返45次放大后,最后得到輸出平均功率為1.8W的放大結果,其光譜半高全寬達38nm,如圖2所示。進一步將其注入到光柵壓縮器壓縮脈寬,優化后獲得了平均功率1.45W、脈寬38fs的壓縮脈沖,對應的壓縮器效率為80%。實測光束質量因子(M²)約為1.1。圖3和圖4分別為對應的脈寬曲線和光束質量因子結果。

    圖2各級的光譜圖

    圖3脈寬測量值

    圖4 光束質量因子和近場光斑

    實驗獲得的高放大效率及高光束質量結果顯示該方案具有更高的平均功率潛力。通過采用更薄的鈦寶石晶體(500μm),改進薄片晶體與熱沉的焊接工藝,提升高泵浦功率下的冷卻效果,降低焊接過程對晶體后表面膜層損傷閾值的影響,并通過優化改進多通泵浦結構實現更多的泵浦程數,有望獲得平均功率更高、脈沖寬度更短的高光束質量放大結果,成為驅動高次諧波和阿秒脈沖、開展超快動力學及精密加工等研究的新理想光源。

    相關工作發表于最近的Optics Letters上【Vol. 47, No. 21, pp. 5634-5637 (2022)】。論文第一作者為該組博士后蔣建旺博士,合作導師是魏志義研究員。該項目得到懷柔研究部及基金委重點、重大研究計劃等項目(12034020、91850209)的支持。

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