國(guó)內(nèi)薄片飛秒激光器領(lǐng)域研究獲重大進(jìn)展

摻鈦藍(lán)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(dòng)力學(xué)，精密測(cè)量等前沿研究的重要工具，極大地促進(jìn)了強(qiáng)場(chǎng)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(duì)重復(fù)頻率及平均功率有要求的重要應(yīng)用。近年來(lái)，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(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心L07組基于長(zhǎng)期從事飛秒激光的研究積累及對(duì)未來(lái)發(fā)展的認(rèn)識(shí)，很早就開始了薄片飛秒激光器的探索研究，先后實(shí)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(guó)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(duì)綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)及眾多應(yīng)用研究對(duì)高平均功率飛秒鈦寶石激光的需求，他們進(jìn)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(guò)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(kuò)展的放大結(jié)果，這也是迄今首次實(shí)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(jìn)行能量放大。實(shí)驗(yàn)中所用鈦寶石晶體的厚度為2mm，后表面鍍有對(duì)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(dá)到對(duì)泵浦激光90%的吸收。通過(guò)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(dá)38nm，如圖2所示。進(jìn)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(duì)應(yīng)的壓縮器效率為80%，實(shí)測(cè)光束質(zhì)量因子(M2)約為1.1。圖3和圖4分別為對(duì)應(yīng)的脈寬曲線和光束質(zhì)量因子結(jié)果。

圖2各級(jí)的光譜圖

圖3脈寬測(cè)量值

圖4光束質(zhì)量因子和近場(chǎng)光斑

實(shí)驗(yàn)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(guò)采用更薄的鈦寶石晶體(500um)，改進(jìn)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(guò)程對(duì)晶體后表面膜層損傷閾值的影響，并通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)多通泵浦結(jié)構(gòu)實(shí)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(dòng)高次諧波和阿秒脈沖，開展超快動(dòng)力學(xué)及精密加工等研究的新理想光源。