受時(shí)間帶寬積原理的物理限制以及高功率飛秒激光增益介質(zhì)實(shí)際增益帶寬的制約，常用的摻鐿激光介質(zhì)難以支持直接輸出亞百飛秒脈沖。超快激光技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展出的非線性光譜展寬方法，可實(shí)現(xiàn)對激光器輸出的飛秒脈沖進(jìn)行二次光譜寬度擴(kuò)展，再通過二次色散補(bǔ)償獲得更窄的脈寬。該技術(shù)方法已在科研用飛秒激光系統(tǒng)中推廣使用，成為數(shù)十飛秒窄脈沖的常用產(chǎn)生機(jī)制。隨著各類低損耗非線性光譜展寬器件的出現(xiàn)和完善，該技術(shù)也逐步進(jìn)入工業(yè)飛秒激光系統(tǒng)，為極端制造、精密加工創(chuàng)造更高峰值功率、更小熱效應(yīng)的激光源。奧創(chuàng)光子已推出了EXshort系列非線性脈沖壓縮裝置，具有獨(dú)立的模塊化封裝，可內(nèi)置于飛秒激光器腔內(nèi)或外掛于飛秒激光器輸出端，對傳統(tǒng)飛秒激光器的輸出百飛秒脈沖進(jìn)行再次壓縮，可獲得脈寬100~150fs的更窄脈沖。并且奧創(chuàng)光子團(tuán)隊(duì)的技術(shù)迭代開發(fā)工作仍在持續(xù)進(jìn)行中，目前我們已完成2000W高功率高能量飛秒激光器的樣機(jī)開發(fā)，最大可輸出能量8mJ的超短超強(qiáng)脈沖，具有80GW的超高峰值功率！在飛秒激光市場向更高功率、更大能量飛秒激光器需求的驅(qū)動(dòng)下，窄脈寬高能高功率飛秒激光器成為戰(zhàn)略前沿產(chǎn)品，在高效精密加工、大科學(xué)裝置等應(yīng)用方向有著眾所期待的潛力。針對這樣的前瞻性應(yīng)用需求，奧創(chuàng)光子開發(fā)出了適用于高功率、大能量飛秒脈沖的非線性壓縮裝置，可承受激光功率最大達(dá)300W，最大輸入脈沖能量高達(dá)2mJ，并具有與EXshort系列類似的一體化獨(dú)立腔體結(jié)構(gòu)，能夠方便安裝到奧創(chuàng)光子的大部分飛秒激光頭前端，實(shí)現(xiàn)對各型號飛秒激光器的峰值功率拔高。
圖1. 外置于高能飛秒激光器的非線性壓縮裝置實(shí)物
定位于無源性高功率激光模組，該產(chǎn)品的激光強(qiáng)度承受能力是首要考慮因素。不同于EXshort系列的光譜非線性展寬介質(zhì)采用石英玻璃，高功率激光的非線性光譜展寬須在極高損傷閾值的光學(xué)透明載體中實(shí)現(xiàn)，對于高能飛秒激光束，自身就有極高的峰值功率，其電場強(qiáng)度足以在空氣中激發(fā)非線性效應(yīng)，因而空氣恰好是理想的高穩(wěn)定性光譜展寬介質(zhì)。考慮空氣介質(zhì)有限的非線性系數(shù)，自相位調(diào)制的激發(fā)需要激光束的反復(fù)聚焦方能實(shí)現(xiàn)，從而以多通腔（MPC）作為入射飛秒激光束的光路架構(gòu)，即一對共焦凹面鏡組成的類諧振腔腔體將入射飛秒脈沖在一定的光程內(nèi)制約于腔內(nèi)往返反射傳輸，每次經(jīng)過腔內(nèi)焦平面附近即產(chǎn)生極高峰值功率密度，激發(fā)非線性光學(xué)效應(yīng)；多次往返和聚焦所產(chǎn)生的自相位調(diào)制效應(yīng)積累，脈沖光譜因此逐漸加寬。合理設(shè)計(jì)折返次數(shù)，當(dāng)加寬到所需譜寬，脈沖恰好從多通腔反射輸出，進(jìn)入到下一個(gè)色散補(bǔ)償環(huán)節(jié)。色散補(bǔ)償鏡和多通腔凹面反射鏡表面承受著很高的光強(qiáng)，其鍍膜參數(shù)就要求極高，鍍膜光學(xué)品質(zhì)不僅要保證高于光致?lián)p傷閾值、光電離閾值，并且凹面反射層在相當(dāng)寬的光譜范圍內(nèi)要有低色散特性，而色散補(bǔ)償鏡具有較大的負(fù)色散特性。該模塊產(chǎn)品的MPC腔鏡為60mm直徑，能夠分布超過30次的往返光路，啁啾鏡數(shù)量2~6片可根據(jù)脈沖實(shí)際測得的啁啾特性來調(diào)整。
產(chǎn)品家族的相互兼容性、適應(yīng)性是各類附件產(chǎn)品，尤其是外置式裝置的設(shè)計(jì)原則之一。類似于奧創(chuàng)光子的外掛式倍頻模塊，該非線性壓縮裝置在殼體接口一側(cè)具有定位槽，方便初步定位入射角度和光高，實(shí)現(xiàn)與奧創(chuàng)光子各類飛秒激光頭銜接；而且考慮到不同型號激光器的初始入射脈沖強(qiáng)度的差異，有效的非線性光譜展寬就相應(yīng)地需要不同的MPC腔內(nèi)折返次數(shù)，或不同的聚焦點(diǎn)光斑直徑，為了保證該兼容性需求，對MPC的輸入光束整形透鏡組設(shè)計(jì)了可變聚焦功能，以此實(shí)現(xiàn)對腔內(nèi)聚焦光斑直徑的調(diào)整，同時(shí)將MPC導(dǎo)入鏡的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為五維可調(diào)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的腔內(nèi)折返次數(shù)需求來調(diào)整導(dǎo)入光束的初始角度、位置。這樣的兼容性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使該非線性壓縮模塊能夠改變MPC中激發(fā)的非線性效應(yīng)強(qiáng)度，按實(shí)際應(yīng)用需要的光譜寬度進(jìn)行MPC腔內(nèi)折返次數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對200μJ~2mJ大范圍能量強(qiáng)度的入射飛秒脈沖二次壓縮。實(shí)際壓縮效率受MPC腔內(nèi)折返次數(shù)以及啁啾鏡的影響。兼容性亦體現(xiàn)在該裝置的非線性效應(yīng)加強(qiáng)需求，即對于需要急劇展寬光譜的應(yīng)用，或入射脈沖峰值過小，僅靠空氣的非線性難以支持光譜有效展寬，對此而設(shè)計(jì)了氣體輸入輸出接口，在需要增強(qiáng)非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)時(shí)，可向腔內(nèi)充入高非線性氣體。
圖2. 非線性壓縮裝置的典型輸入輸出光譜和脈沖
作為激光頭上的外掛模塊，其穩(wěn)定性決定了產(chǎn)品適用度。除了具有連接槽、支撐座的氣密性殼體，殼內(nèi)的光機(jī)零部件大部分為膠化固定，確保每個(gè)光學(xué)鏡片的穩(wěn)固性，僅有的幾個(gè)可調(diào)機(jī)械裝置都具備鎖緊功能。輔助調(diào)光機(jī)構(gòu)包括校準(zhǔn)光束輸入窗口、內(nèi)光路分支指向點(diǎn)監(jiān)測窗口、腔鏡光斑分布監(jiān)測窗口等，能夠滿足對腔內(nèi)幾處關(guān)鍵位置的光束能量、指向的測量和判斷，不僅便于生產(chǎn)裝調(diào)，也利于后期維護(hù)檢修。該裝置唯一需要定期更換的物料是內(nèi)嵌于腔體側(cè)壁中的干燥劑。
圖3. 非線性壓縮裝置的輸出光束質(zhì)量測試幾個(gè)典型的非線性壓縮輸出數(shù)據(jù)見圖2、圖3、圖5。在48.7、1.21mJ的1030nm飛秒激光輸入下，該非線性壓縮裝置輸出43.5W、1.08mJ的二次壓縮脈沖，整體效率接近85%，當(dāng)入射脈沖峰值功率提高，壓縮效率會進(jìn)一步提升。入射脈沖寬度759fs，非線性壓縮后的輸出脈沖寬度97fs，獲得了近7倍的壓縮比。為了兼容不同脈寬的應(yīng)用需求，用戶可以調(diào)節(jié)飛秒激光器的壓縮器輸出不同脈寬，則非線性壓縮后的脈寬也隨之發(fā)生改變，這就相當(dāng)于調(diào)節(jié)輸入脈沖的啁啾量以改變非線性壓縮效果，其數(shù)值模擬仿真所得規(guī)律性見圖4。
圖3. 數(shù)值模擬在不同啁啾特性的入射脈沖條件下，輸出的非線性壓縮脈沖光譜和脈寬演化規(guī)律
實(shí)測中，當(dāng)前端飛秒激光器為脈寬可調(diào)（如700fs~10ps），經(jīng)過非線性壓縮裝置后的脈寬范圍也相應(yīng)擴(kuò)展到最短~100fs。該非線性壓縮裝置良好的機(jī)械穩(wěn)定性和雜散光管理，確保了輸出的二次壓縮脈沖的功率穩(wěn)定性（圖5）。
圖5. a非線性壓縮裝置的輸出功率穩(wěn)定性測試
圖5. b.輸出光束指向穩(wěn)定性測試
奧創(chuàng)光子技術(shù)有限公司是一家專業(yè)從事工業(yè)級飛秒激光器及其核心器件研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用的國家高新技術(shù)企業(yè)?？偛孔溆谡憬『贾菔?，目前擁有約10000平方米光學(xué)潔凈室和辦公區(qū)。公司創(chuàng)始核心團(tuán)隊(duì)由中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室核心隊(duì)伍及海歸超快激光器工程化專家共同組成，其中包括國家萬人計(jì)劃專家、國際知名超快激光器企業(yè)首席設(shè)計(jì)師等，是目前國內(nèi)超快激光領(lǐng)域的先行者和引領(lǐng)者。
自2018年創(chuàng)立以來，公司已申請150余項(xiàng)專利，已擁有核心技術(shù)包括NALM全光纖長壽命鎖模種子源量產(chǎn)工藝、高階色散可調(diào)控CFBG制作工藝、拋物脈沖高保真光纖CPA技術(shù)、高增益innoslab放大器封裝工藝及技術(shù)等，結(jié)合100%自主設(shè)計(jì)的超快種子源、溫度調(diào)諧式啁啾光纖光柵等核心器件，已成功推出千瓦級、毫焦級、超短脈寬等系列化飛秒激光器產(chǎn)品，并在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域批量出貨，年量產(chǎn)出貨超過500臺，打破了該領(lǐng)域被國外產(chǎn)品長期壟斷的局面。
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