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的高平均功率激光輸出的主要手段。

創(chuàng)新工作

中國科學(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泵浦時時獲得了平均功率為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，平均輸出功率增加到22.33 W，此時的脈沖寬度為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的曲率半徑，同時將諧振腔置于低真空密閉環(huán)境中以減小空氣擾動和空氣色散的影響。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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