研究背景

高功率飛秒激光在太赫茲產(chǎn)生、阿秒脈沖產(chǎn)生和光學(xué)頻率梳等科研領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域有著重大應(yīng)用價(jià)值。基于傳統(tǒng)塊狀增益介質(zhì)的鎖模激光器在高功率下受到熱透鏡效應(yīng)的限制，目前輸出的最大功率在20 W左右。

薄片激光器利用多通泵浦結(jié)構(gòu)，將泵浦光多次反射至厚度為百微米量級(jí)的片狀增益介質(zhì)上，以實(shí)現(xiàn)高效率的泵浦吸收。極薄的增益介質(zhì)結(jié)合背向冷卻技術(shù)，大大減小了熱透鏡效應(yīng)與非線(xiàn)性效應(yīng)的影響，可實(shí)現(xiàn)更高功率的飛秒脈沖輸出。

結(jié)合克爾透鏡鎖模技術(shù)的薄片振蕩器，是目前獲取脈沖寬度為百飛秒量級(jí)的高平均功率激光輸出的主要手段。

創(chuàng)新工作

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李剛研究員團(tuán)隊(duì)基于自主研制的72通泵浦模塊，設(shè)計(jì)并搭建了克爾透鏡鎖模薄片激光器，研制出了國(guó)內(nèi)目前平均功率和單脈沖能量最高的克爾透鏡鎖模薄片激光器。

研究團(tuán)隊(duì)首先基于克爾透鏡鎖模的原理和ABCD 矩陣的迭代計(jì)算，進(jìn)行了薄片克爾透鏡鎖模激光器鎖模理論分析，模擬了鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)與連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)諧振腔內(nèi)模式的變化，確認(rèn)鎖模后硬光闌處的腔內(nèi)模式半徑將減少7%以上。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)以該設(shè)計(jì)原則為指導(dǎo)，基于團(tuán)隊(duì)自主研制的72通泵浦模塊（圖1），設(shè)計(jì)并搭建了克爾透鏡鎖模諧振腔（圖2），在72 W泵浦時(shí)時(shí)獲得了平均功率為11.78 W，脈沖寬度為245 fs，單脈沖能量為0.14 μJ的脈沖激光輸出。輸出脈沖的寬度和腔內(nèi)模式的變化與模擬分析的結(jié)果基本吻合。

圖2 實(shí)驗(yàn)使用的克爾透鏡鎖模Yb:YAG薄片激光器諧振腔示意圖

為了提高激光器的輸出功率，研究團(tuán)隊(duì)將聚焦鏡的曲率半徑增大，對(duì)克爾介質(zhì)厚度和二階色散量進(jìn)行微調(diào)后，泵浦功率設(shè)置為94 W 時(shí)，平均輸出功率增加到22.33 W，此時(shí)的脈沖寬度為394 fs，單脈沖能量為0.28 μJ。

工作展望

為進(jìn)一步提升輸出功率，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步增大聚焦凹面鏡對(duì)的曲率半徑，同時(shí)將諧振腔置于低真空密閉環(huán)境中以減小空氣擾動(dòng)和空氣色散的影響。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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