近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊基于Yb:YAG碟片激光技術和啁啾脈沖放大（CPA）技術，通過近乎無損的脈沖后壓縮，實現(xiàn)了兼具高平均功率、高重復頻率和窄脈沖寬度的54W/200kHz/195fs激光脈沖輸出。相關成果以“An efficient high-power femtosecond laser based on periodic-layered-Kerr media nonlinear compression and a Yb:YAG regenerative amplifier” 為題發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering上。

鈦寶石激光器自誕生以來一直是超快激光領域的主力軍，受益于其增益帶寬優(yōu)勢，鈦寶石激光系統(tǒng)很容易達到小于100飛秒的脈沖寬度，基于CPA技術的鈦寶石激光系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)峰值功率高達10PW的超強超短激光脈沖輸出，但是，其平均功率和重復頻率目前被限制在數(shù)十瓦和千赫茲（kHz）的水平；相反，基于摻鐿（Ytterbium, Yb）光纖和固體材料的飛秒激光器以半導體激光器為泵浦源，可支持千瓦量級的平均功率和百千赫茲輸出，在一些新興的工業(yè)加工、科研和醫(yī)藥等領域被廣泛應用。由于其增益帶寬的制約，在高功率下輸出的激光脈沖寬度成為影響其應用范疇的主要因素，因此，如何將摻鐿（Yb）激光系統(tǒng)輸出的脈沖簡單高效地壓縮至更窄的寬度成為研究熱點之一。

研究人員基于CPA技術，采用基于Yb:YAG碟片的高重頻再生放大器，實現(xiàn)壓縮后56W/530fs/200kHz的激光脈沖輸出，再經(jīng)過周期性排列的白寶石固體薄片組進行非線性光譜展寬，利用啁啾鏡將脈沖寬度壓縮到195fs，整個壓縮裝置的功率轉(zhuǎn)換效率高達96%�！爸芷谛浴迸帕械墓腆w薄片充分展示了其優(yōu)勢：由于相鄰薄片之間距離相等，可以將每一層固體薄片和其后的一段自由空間看作非線性諧振腔的一個單元，激光束經(jīng)過多個單元的傳輸可以看作非線性諧振腔中的多次往返，其中的固體薄片則被看作與光強相關的非球面鏡，因而光束經(jīng)多個單元的傳輸特性符合菲涅爾-基爾霍夫衍射積分理論。本工作是PLKM概念與碟片再生放大器相結(jié)合的成功驗證：對于單脈沖能量200μJ以上的注入脈沖，這是利用固體薄片組方案獲得的最高輸出功率。此外，其最終輸出光束質(zhì)量因子（M2）維持在1.4以內(nèi)，光譜空間均勻性優(yōu)異。

圖1.飛秒激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：（a）①前端種子源；②模式匹配光路；③碟片再生放大器主體；④透射光柵壓縮器；⑤后壓縮級（包括周期性排列的白寶石固體薄片組和啁啾鏡組）；（b）周期性排列的白寶石固體薄片組詳圖

圖2.整個飛秒激光系統(tǒng)最終輸出脈沖的（a）自相關特性曲線和（b）光束質(zhì)量因子測量結(jié)果

該飛秒激光系統(tǒng)可用于新興的工業(yè)加工領域及時間分辨光譜測量。正在進行的第二級壓縮有望實現(xiàn)50fs以下的脈沖輸出，將進一步提升峰值功率，支持更多高重頻窄脈寬激光的應用場景。

原文鏈接：An efficient high-power femtosecond laser based on periodic-layered-Kerr media nonlinear compression and a Yb:YAG regenerative amplifier