功率可扩展的薄片飞秒钛宝石激光放大器

       掺钛蓝宝石晶体作为迄今产生超快激光最优异的增益介质，结合克尔透镜锁模（KLM）和啁啾脉冲放大（CPA）技术，可得到大于10PW的峰值功率及小于4fs的少周期脉冲，成为人们开展极端非线性光学、超快动力学、精密测量等前沿研究的重要工具，极大地促进了强场激光物理、阿秒物理等学科的创新发展。由于热效应和泵浦激光功率等的限制，飞秒钛宝石激光的平均功率一直停滞在20W左右，严重限制了其在精密加工、阿秒脉冲产生等对重复频率及平均功率有要求的重要应用。近年来，基于Yb光纤及全固态结构的飞秒激光由于高平均功率输出能力，作为第三代飞秒激光而倍受青睐，特别是采用薄片（也称之为碟片）结构的固体Yb激光由于高脉冲能量、高平均功率及高光束质量等特性，成为人们的重要选择。

           中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组基于长期从事飞秒激光的研究积累及对未来发展的认识，很早就开始了薄片飞秒激光器的探索研究，先后实现了重复频率10Hz的薄片飞秒钛宝石激光的再生放大【中国激光. 39, 0902011 (2012)】及50MHz全固态飞秒Yb:YAG激光的克尔透镜锁模【Chin. Phys. B 25, 094207 (2016)】，得到了单脉冲能量及平均功率远优于常规钛宝石晶体为增益介质的同类方案结果，并表现出优良的光束质量。在此基础上，针对综合极端条件实验装置建设及众多应用研究对高平均功率飞秒钛宝石激光的需求，他们进一步联合西安电子科技大学等单位，开展了1kHz重复频率的薄片飞秒钛宝石激光放大研究，通过有效降低热积累引入的热透镜效应，得到了光束质量近衍射极限、平均功率可扩展的放大结果，这也是迄今首次实现的kHz重复频率薄片钛宝石激光放大，为突破飞秒钛宝石激光平均功率的瓶颈提供了有意义的新方案。

图1薄片飞秒钛宝石放大器光路示意图

       图1所示为该研究工作核心部分的光路示意图，由自建的亚20fs钛宝石激光振荡器输出的飞秒种子脉冲经马丁内兹展宽器展宽至约300ps后，注入到薄片钛宝石晶体为增益介质的再生放大器进行能量放大。实验中所用钛宝石晶体的厚度为2mm，后表面镀有对泵浦激光和增益激光均高反的反射膜，并焊接在W80Cu20合金热沉上，热沉接外循环水，温度控制在14℃。泵浦方式采用6通结构的多通泵浦方案，可达到对泵浦激光90%的吸收。通过在再生腔内放置焦距为1.5m的平凸透镜调节晶体上的模式尺寸，在1kHz的重复频率下，经腔内往返45次放大后，最后得到输出平均功率为1.8W的放大结果，其光谱半高全宽达38nm，如图2所示。进一步将其注入到光栅压缩器压缩脉宽，优化后获得了平均功率1.45W、脉宽38fs的压缩脉冲，对应的压缩器效率为80%。实测光束质量因子（M）约为1.1。图3和图4分别为对应的脉宽曲线和光束质量因子结果。

图2各级的光谱图

图3脉宽测量值

图4 光束质量因子和近场光斑

       实验获得的高放大效率及高光束质量结果显示该方案具有更高的平均功率潜力。通过采用更薄的钛宝石晶体（500μm），改进薄片晶体与热沉的焊接工艺，提升高泵浦功率下的冷却效果，降低焊接过程对晶体后表面膜层损伤阈值的影响，并通过优化改进多通泵浦结构实现更多的泵浦程数，有望获得平均功率更高、脉冲宽度更短的高光束质量放大结果，成为驱动高次谐波和阿秒脉冲、开展超快动力学及精密加工等研究的新理想光源。

       相关工作发表于最近的Optics Letters上【Vol. 47, No. 21, pp. 5634-5637 (2022)】。论文第一作者为该组博士后蒋建旺博士，合作导师是魏志义研究员。该项目得到怀柔研究部及基金委重点、重大研究计划等项目(12034020、91850209)的支持。