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(田文龙 朱江峰)高平均功率超短脉冲激光在科学研究和产业领域都有非常广泛的应用。凭借出色的热管理,薄片激光器是目前从振荡器直接输出大功率超短脉冲激光最常用的方法之一。克尔透镜锁模或SESAM被动锁模的薄片激光器已经分别可输出高达270 W[1]和350W[2]的平均功率。但是,由于使用的薄片材料为Yb:YAG,其发射带宽较窄,因此输出脉冲宽度通常为数百飞秒至亚皮秒。为了获得更短的脉冲宽度(如小于100fs),研究人员分别使用宽发射带宽增益介质,如Yb:Lu2O3和Yb:CALGO薄片,但是只相应获得了1.6 W/35 fs[3]、5.1 W/62 fs[4]和21 W/95 fs[5]的输出指标。实际上,获得瓦级到十瓦级功率输出并不需要很高的泵浦功率,相应的热负荷也是在常规块状固体承受范围之内。因此,考虑到制备高质量薄片晶体和焊接冷却的困难以及多通泵浦结构的复杂性,发展高功率窄脉冲块状固体激光器具有重要的研究意义和实用价值。

西安电子科技大学超快激光技术与应用研究中心长期从事全固态超快激光器研究,近年来发展了一种新的双共焦谐振腔结构,使得高功率和超短脉冲宽度可以同时得到保证。利用LD直接泵浦,先后实现了平均功率1.5 W、脉冲宽度68 fs[6]和平均功率6.2 W、脉冲宽度59 fs[7]的高功率窄脉宽克尔透镜锁模运转,最高峰值功率达1.85 MW。近日,研究中心在高功率全固态飞秒激光技术方向取得新进展,利用Yb:CYA晶体,首次在块状固体激光器中获得平均功率大于10 W,脉冲宽度小于100 fs的克尔透镜锁模运转,并通过对锁模稳区的理论分析提出了获得更高平均功率输出的可行方案。结合最新发展的高效率晶体散热技术,有望从Yb全固态飞秒激光振荡器中直接输出大于20 W的亚100fs脉冲或大于5 W的亚50 fs脉冲。该飞秒激光器具有指标优异、性能稳定、结构紧凑、成本低廉的优势,在飞秒光学频率梳、多光子显微成像、全固态放大器种子源、THz波产生、瞬态光谱学等领域具有重要的应用价值。

相关工作发表于Opt. Lett. 46(6), 1297-1300 (2021)(https://doi.org/10.1364/OL.419370)。

图1.(a)高功率Yb:CYA飞秒激光器实验光路图(b)平均输出功率和脉冲宽度与泵浦功率的关系。红色圆圈表示CW激光的功率,绿色圆圈表示ML激光。脉宽由蓝色圆圈表示。

图2.双共焦腔结构理论分析(a)增益晶体中的克尔灵敏度与克尔介质位置以及C3和C4之间距离的关系。实际实验腔形结构处于红圈标记位置。(b)泵浦半径为50 µm时的激光模式匹配率与C3和C4之间的距离相关。黑色虚线内代表稳区。

参考文献:

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[6] W. Tian, Y. Peng, Z. Zhang, Z. Yu, J. Zhu, X. Xu, and Z. Wei, Photon. Res. 6, 127 (2018).

[7] W. Tian, C. Yu, J. Zhu, D. Zhang, Z. Wei, X. Xu, J. Xu, Opt. Express 27, 21448 (2019).

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