近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)基于Yb:YAG碟片激光技術(shù)和啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)，通過(guò)近乎無(wú)損的脈沖后壓縮，實(shí)現(xiàn)了兼具高平均功率、高重復(fù)頻率和窄脈沖寬度的54 W/200 kHz/195 fs激光脈沖輸出。

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(jí)（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

鈦寶石激光器自誕生以來(lái)一直是超快激光領(lǐng)域的主力軍，受益于其增益帶寬優(yōu)勢(shì)，鈦寶石激光系統(tǒng)很容易達(dá)到小于100 fs的脈沖寬度，基于CPA技術(shù)的鈦寶石激光系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)峰值功率高達(dá)10 PW的超強(qiáng)超短激光脈沖輸出，但是，其平均功率和重復(fù)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(dǎo)體激光器為泵浦源，可支持千瓦量級(jí)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(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(yīng)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(jiǎn)單高效地壓縮至更窄的寬度成為研究熱點(diǎn)之一。

研究人員基于CPA技術(shù)，采用基于Yb:YAG碟片的高重頻再生放大器，實(shí)現(xiàn)壓縮后56 W/530 fs/200 kHz的激光脈沖輸出，再經(jīng)過(guò)周期性排列的白寶石固體薄片組進(jìn)行非線(xiàn)性光譜展寬，利用啁啾鏡將脈沖寬度壓縮到195 fs，整個(gè)壓縮裝置的功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%。“周期性”排列的固體薄片充分展示了其優(yōu)勢(shì)：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(xiàn)性諧振腔的一個(gè)單元，激光束經(jīng)過(guò)多個(gè)單元的傳輸可以看作非線(xiàn)性諧振腔中的多次往返，其中的固體薄片則被看作與光強(qiáng)相關(guān)的非球面鏡，因而光束經(jīng)多個(gè)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(yàn)證：對(duì)于單脈沖能量200 μJ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?xún)?nèi)，光譜空間均勻性?xún)?yōu)異。

圖2 整個(gè)飛秒激光系統(tǒng)最終輸出脈沖的（a）自相關(guān)特性曲線(xiàn)和（b）光束質(zhì)量因子測(cè)量結(jié)果

該飛秒激光系統(tǒng)可用于新興的工業(yè)加工領(lǐng)域及時(shí)間分辨光譜測(cè)量。正在進(jìn)行的第二級(jí)壓縮有望實(shí)現(xiàn)50 fs以下的脈沖輸出，將進(jìn)一步提升峰值功率，支持更多高重頻窄脈寬激光的應(yīng)用場(chǎng)景。

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