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高功率克尔透镜锁模全固态飞秒激光技术

2018-02-02

全固态飞秒激光由于兼具结构紧凑、运行稳定、成本低、可输出激光平均功率高及脉冲宽度短等综合优点,是飞秒激光技术发展的新趋势。最近,西安电子科技大学、中国科学院物理研究所与江苏师范大学通力合作,在全固态克尔透镜锁模(KLM)飞秒激光研究中取得了新进展。他们采用新型的双聚焦谐振腔结构,利用高功率二极管激光器(LD)直接泵浦固体Yb:CYA激光,实现了兼具高平均功率和短脉冲宽度的KLM运转,获得了平均功率1.5 W、脉冲宽度68 fs的激光输出,比采用块状Yb掺杂的常规全固态KLM飞秒激光的输出功率提高了一个量级。

超快激光(<10 ps)源起于上世纪60年代末,兴起于90年代初。进入21世纪后,随着激光技术的不断发展,已经在精密激光加工制造、精准医疗、现代国防以及前沿科学研究等领域得到了广泛应用。其特有的高峰值功率、宽光谱以及超短脉宽特性,可以完成常规激光无法完成的工作,因此应用更为广泛,需求量巨大。针对不同的应用,人们对超快激光的性能参数具有不同的需求,从而催生出各种不同指标以及不同种类的超快激光光源,包括成熟稳定的钛宝石激光器、物美价廉的全固态激光器以及皮实耐用的光纤激光器等。特别是全固态超快激光在某种程度上综合了光纤激光和钛宝石激光的优势,一方面可以利用LD直接泵浦,因此结构紧凑、成本低、输出功率高,另一方面可以输出与钛宝石激光相当的极短脉宽。而钛宝石激光由于受限于现有的泵浦源功率以及晶体本身的量子效率,目前从锁模振荡器输出的平均功率不超过4 W。相比之下,全固态飞秒激光器具有更大的潜力,对于需要高平均功率、窄脉冲的高精尖应用,比如飞秒激光微加工、高重频高次谐波产生等,全固态飞秒激光器具有更为明显的先天优势。

中国科学院物理研究所及西安电子科技大学的超快激光研究团队多年来致力于新型全固态锁模激光的研究,他们通过紧密联合,在江苏师范大学、中科院上海硅酸盐所、同济大学等单位的配合下,近年来相继发展了系列全固态可饱和吸收体被动锁模及KLM飞秒激光技术。基于半导体可饱和吸收体的全固态被动锁模技术被认为是实现高平均功率飞秒激光输出的重要手段,该联合团队2016年利用该技术锁模Yb:LYSO激光实现了脉宽小于300 fs、平均功率3 W的同类研究国际最高输出。但由于可饱和吸收体较长的恢复时间以及大部分增益晶体的发射光谱不够平坦光滑,在高功率运转下很难输出小于100 fs的超短脉冲。

KLM技术提供了一个有效解决该问题的方案:一方面非线性克尔效应的响应时间只有1 fs左右,另一方面自相位调制能够有效地展宽光谱,获得足以支持小于100 fs脉宽的宽带光谱。众所周知,KLM技术已广泛应用于飞秒钛宝石激光器中,得益于优异的泵浦源光束质量,通过软边光阑引入非线性损耗调制可以很容易实现KLM运转。但由于全固态Yb激光器的泵浦源多为M2因子大于40的多模LD,实现KLM运转具有相当大的挑战。为此,联合团队通过优化实验技术细节,包括: (1)使用特殊设计的泵浦源,使抽运激光聚焦到非常小的尺寸,以利于实现KLM; (2) 选择高掺杂浓度的Yb激光增益介质,以提高对泵浦光的吸收;(3) 使用低输出率的耦合镜以提高腔内激光功率密度,增强克尔非线性效应;(4) 优化色散补偿等技术手段,在多种Yb激光介质中都实现了多模LD泵浦的KLM激光运转, 如利用Yb:LYSO、Yb:GSO、Yb:LSO和Yb:CYA晶体,分别获得了61 fs、72 fs、54 fs及33 fs的激光脉冲输出,比之前报道的被动锁模结果缩短了5~10倍的脉冲宽度。不仅证明了 KLM 技术在全固态飞秒脉冲激光产生中的重要性和优势,而且接近由钛宝石激光直接产生的脉宽结果。以上技术尽管有效地实现了不同Yb增益介质的KLM运行,但另一方面由于小芯径的泵浦源也限制了泵浦功率,因此也制约了Yb掺杂的激光振荡器所输出的平均功率,且输出率小的耦合输出镜也不利于高功率输出。如果为了获得瓦级以上的高功率输出而放宽这些参数限制,则传统的全固态飞秒振荡器几乎无法实现KLM运行,目前人们也仅在Yb:KGW、Yb:CGA、Yb:CaF2等几种晶体上有所斩获(如图1所示)。因此,高功率、窄脉宽全固态飞秒激光器技术陷入了两难境地,长期以来科学家们一直在以上几种Yb晶体中寻求突破。

图1 LD泵浦的高功率、窄脉宽KLM全固态飞秒激光主要结果
 

传统KLM激光中,激光晶体同时承担了增益和克尔效应两个功能。为了提高激光输出功率,同时保证窄脉冲运转,该联合研究团队采用新型的双聚焦谐振腔结构,将激光介质和克尔介质进行分离:激光晶体只负责提供宽谱增益,而克尔介质负责提供非线性克尔效应与自相位调制,从而大大缓解了高功率KLM对晶体非线性折射率、光谱平坦度以及激光功率密度等物理参数的苛刻要求,使更多的高质量Yb增益介质可以同时实现高功率、窄脉冲输出。实验中,激光增益介质和克尔介质分别置于腔内的两个束腰位置:这样一方面可以通过增大激光增益介质束腰光斑以克服LD光束发散角大、亮度低的缺点,实现泵浦-激光模式的良好匹配,以获得高效率激光提取,同时增加激光模式面积以实现更高的平均功率。另一方面利用紧聚焦结构在介质中产生合适的非线性克尔效应,从而实现高功率、窄脉宽KLM运行。基于该方案的LD泵浦全固态KLM飞秒Yb:CYA激光振荡器的实验光路如图2所示,在输出68 fs超短脉冲的情况下获得了1.5 W的平均功率,其进一步的输出功率受LD泵浦功率的限制。图3为典型激光输出参数,与传统的单共焦腔全固态KLM飞秒激光器相比,输出功率提高了一个数量级,从而证明了获得窄脉冲、高平均功率输出的一种可行技术,为进一步实现更高平均功率的亚100 fs全固态飞秒激光奠定了基础。

图2 高功率窄脉宽克尔透镜锁模Yb:CYA激光光路图

图3(a)连续和锁模状态下的激光光谱,插图为锁模激光近场光斑;(b)强度自相关曲线
 

相关成果于2018年1月25日以Diode-pumped power scalable Kerr-lens mode-locked Yb:CYA laser为题发表在Photonics Research [6(2), 127-131 (2018)]上。论文第一作者为田文龙博士,导师为魏志义研究员,通讯作者为朱江峰教授。该工作得到了国家重点基础研究项目(2013CB922402)和国家自然科学基金(61705174、11774277)的资助。

论文链接:https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-6-2-127