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高功率飛秒激光突破平均功率關(guān)鍵瓶頸

來源:中科院物理所2023-09-05 我要評(píng)論(0 )   

高能量、高平均功率的飛秒激光由于在阿秒高次諧波產(chǎn)生、精密加工制造、生物醫(yī)療及國防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用需求,是近十多年來超快超強(qiáng)激光技術(shù)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)內(nèi)容,特別是...

高能量、高平均功率的飛秒激光由于在阿秒高次諧波產(chǎn)生、精密加工制造、生物醫(yī)療及國防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用需求,是近十多年來超快超強(qiáng)激光技術(shù)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)內(nèi)容,特別是光纖激光由于穩(wěn)定可靠的運(yùn)行特性、皮實(shí)緊湊的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的光束質(zhì)量、較低的成本等優(yōu)勢(shì),倍受人們的重視,也是廣受歡迎的激光產(chǎn)品,所能輸出的平均功率可達(dá)百瓦量級(jí)。但由于受限于光纖中有害的非線性效應(yīng),單路光纖產(chǎn)生的單脈沖能量在保證時(shí)域脈沖質(zhì)量和光束質(zhì)量的情況下,難以突破毫焦的瓶頸,限制了對(duì)激光強(qiáng)度有要求的許多重要應(yīng)用。

使用相干合成技術(shù),通過將多路放大后的飛秒脈沖合在一起,是獲得高平均功率、毫焦量級(jí)飛秒脈沖的可行方案。相干合成分主動(dòng)相干合成和被動(dòng)相干合成兩種,主動(dòng)相干合成的功率和能量可隨著合成路數(shù)的增加而不斷提升,但是需要復(fù)雜和昂貴的電控鎖定系統(tǒng);而被動(dòng)合成無需電控相位穩(wěn)定器件,裝置較為簡(jiǎn)單,但受合成路數(shù)的限制,合成平均功率及單脈沖能量低。

針對(duì)上述問題和難點(diǎn),中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心L07組在多年高功率超快光纖激光研究的基礎(chǔ)上,提出光纖中靜態(tài)模式退化(Static Mode Degradation, SMD)是限制被動(dòng)相干合成方案平均功率的關(guān)鍵瓶頸,據(jù)此發(fā)明了一種能有效抑制SMD的雙向隔離器,繼在2021 年實(shí)現(xiàn) 100W 平均功率的基礎(chǔ)上(Opt. Lett. 46, 3115 (2021)),最近基于被動(dòng)合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng),不僅進(jìn)一步獲得了最高平均功率可達(dá)200 W的結(jié)果,而且在100 kHz的重復(fù)頻率下,單脈沖能量達(dá)到1.07 mJ,系統(tǒng)合成效率超過了85%。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于最近一期的美國光學(xué)學(xué)會(huì)期刊Journal of the Optical Society of America B上,論文第一作者為常國慶特聘研究員指導(dǎo)的博士生史卓。

圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,由前端提供的能量為0.80μJ、重復(fù)頻率在100kHz至1MHz之間可調(diào)的偏振激光脈沖經(jīng)展寬及 PBS1反射、PBS2 透射后,由 PBS3 及 PBS4 組成的時(shí)間分脈沖裝置一分為二,分束為兩個(gè)間隔約2ns的小脈沖,進(jìn)一步通過PBS5分為四個(gè)脈沖進(jìn)入Sagnac環(huán)路放大。其中兩個(gè)脈沖沿順時(shí)針方向傳輸,另外兩個(gè)沿逆時(shí)針方向傳輸,并在進(jìn)入棒狀光纖之前采用四分之一波片(QWP1 及 QWP2)變?yōu)閳A偏振。兩根增益光纖之間插入了一塊偏振分束器PBS6對(duì)脈沖進(jìn)行偏振過濾,兩個(gè)方向的光傳輸一圈后在PBS5匯合,兩兩進(jìn)行空間合成,部分退偏光從合成處漏出,構(gòu)成退偏端口;大部分光原路返回,在時(shí)間分脈沖裝置處通過時(shí)域重合成為一個(gè)脈沖,部分未合成的光從未合成端口輸出,合成光從合成端口輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在150kHz的重復(fù)頻率下,合成端口的平均功率達(dá)160W。當(dāng)將重復(fù)頻率降低為100kHz時(shí),脈沖壓縮后的單脈沖能量為1.07 mJ,放大過程中未觀察到明顯的SMD現(xiàn)象,圖2所示為該能量下的主要測(cè)量結(jié)果。顯示脈寬為 240fs,光譜寬度為8.7nm,3小時(shí)內(nèi)對(duì)應(yīng)的RMS小于0.5%,光束質(zhì)量M2因子為1.11×1.27,縱向上的光束畸變主要來自光柵對(duì)。

圖2. 單脈沖1.07 mJ時(shí)的(a)自相關(guān)曲線,(b)光譜分布,(c)功率穩(wěn)定性和(d)光束質(zhì)量結(jié)果

相比于以往基于單路放大或主動(dòng)合成的高功率摻鐿光纖飛秒激光光源,本研究使用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的被動(dòng)合成方式,獲得了大于 1mJ 的結(jié)果,突破了常規(guī)飛秒光纖激光單脈沖能量的瓶頸,并具有高達(dá)200W的平均功率輸出能力優(yōu)良的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性,可望在高重復(fù)頻率阿秒高次諧波的產(chǎn)生、特殊材料的精密加工切割、半導(dǎo)體芯片缺陷檢測(cè)及生物醫(yī)學(xué)成像等方面發(fā)揮重要作用。這一進(jìn)展相關(guān)的裝置及核心器件已申請(qǐng)國家發(fā)明專利。

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):No. 2021YFB3602602)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):No. 62175255和62227822)和中國科學(xué)院重要儀器研制項(xiàng)目的支持。常國慶特聘研究員為通訊作者,博士生王井上、張瑤及魏志義研究員、西安電子科技大學(xué)王軍利教授也參與了該工作的設(shè)計(jì)和討論。


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