國內(nèi)薄片飛秒激光器領(lǐng)域研究獲重大進展

摻鈦藍寶石晶體作為迄今產(chǎn)生超快激光最優(yōu)異的增益介質(zhì)，結(jié)合克爾透鏡鎖模(KLM)和啁咪脈沖放大(CPA)技術(shù)，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(xué)，超快動力學(xué)，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(xué)科的創(chuàng)新發(fā)展。由于熱效應(yīng)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(yán)重限制了其在精密加工、阿秒脈沖產(chǎn)生等對重復(fù)頻率及平均功率有要求的重要應(yīng)用。近年來，基于Yb光纖及全固態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的固體Yb激光由于高脈沖能量、高平均功率及高光束質(zhì)量等特性，成為人們的重要選擇。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)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(fā)展的認(rèn)識，很早就開始了薄片飛秒激光器的探索研究，先后實現(xiàn)了重復(fù)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(tài)飛秒Yb:YAG激光的克爾透鏡鎖模Chin.Phys. B 25，094207(2016)，得到了單脈沖能量及平均功率遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)鈦寶石晶體為增益介質(zhì)的同類方案結(jié)果，并表現(xiàn)出優(yōu)良的光束質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，針對綜合極端條件實驗裝置建設(shè)及眾多應(yīng)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(lián)合西安電子科技大學(xué)等單位，開展了1kHz重復(fù)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(yīng)，得到了光束質(zhì)量近衍射極限、平均功率可擴展的放大結(jié)果，這也是迄今首次實現(xiàn)的kHz重復(fù)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寶石激光振蕩器輸出的飛秒種子脈沖經(jīng)馬丁內(nèi)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(zhì)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(huán)水，溫度控制在14℃，泵浦方式采用6通結(jié)構(gòu)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(nèi)放置焦距為1.5m的平凸透鏡調(diào)節(jié)晶體上的模式尺寸，在1kHz的重復(fù)頻率下，經(jīng)腔內(nèi)往返45次放大后，最后得到輸出平均功率為1.8W的放大結(jié)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(yōu)化后獲得了平均功率1.45W，脈寬38fs的壓縮脈沖，對應(yīng)的壓縮器效率為80%，實測光束質(zhì)量因子(M2)約為1.1。圖3和圖4分別為對應(yīng)的脈寬曲線和光束質(zhì)量因子結(jié)果。

圖2各級的光譜圖

圖3脈寬測量值

圖4光束質(zhì)量因子和近場光斑

實驗獲得的高放大效率及高光束質(zhì)量結(jié)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(500um)，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(yōu)化改進多通泵浦結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更多的泵浦程數(shù)，有望獲得平均功率更高、脈沖寬度更短的高光束質(zhì)量放大結(jié)果，成為驅(qū)動高次諧波和阿秒脈沖，開展超快動力學(xué)及精密加工等研究的新理想光源。