自从2001年人们首次实现单个独立的阿秒(1 as=10 -18 s)脉冲以来,阿秒脉冲作为超快光学最前沿的内容,在近20年的时间内得到了长足的发展,为人们在电子运动的自然时间尺度中观测量子世界的基本动力学过程提供了崭新的研究手段,并开启了阿秒科学这一全新的研究领域,覆盖了原子、分子、凝聚态物理、化学、生物等诸多学科的不同研究需求。随着飞秒激光驱动器技术的不断发展,目前阿秒脉冲不仅脉冲宽度突破了50 as,而且也进一步朝着更高单脉冲能量(高通量)、更短波长(高光子能量)、更高重复频率的方向发展。本文将结合高次谐波相位匹配及高能量飞秒超强激光、双色及多色相干合成飞秒激光、中红外飞秒激光、高重复频率飞秒激光等驱动技术,综述介绍阿秒脉冲在上述各方面的新进展,并展望了未来进一步的发展趋势。

高功率低噪声全固态连续波单频激光器在量子科学与技术、冷原子物理、高精度精密测量以及光学传感等领域有着广泛的应用。为了满足应用需求,在泵浦功率增大的条件下,需克服激光晶体热效应的影响,提高激光器输出功率,同时保持单频输出特性和光束质量不变,降低激光器在低频段的强度噪声并扩展激光器的输出波长等。针对这些关键问题,本课题组开展了原理研究和器件设计,研制出一系列具有不同输出波长的高功率低噪声全固态连续波无跳模单频激光器。总结和介绍了本课题组在高功率低噪声全固态连续波无跳模单频激光器方面的研究进展,并展望了单频激光器的发展趋势。

高功率超短脉冲激光器在工业、科研和**等领域有着广泛应用。光纤-固体混合放大技术将光纤激光器的光束质量好、单程增益大、散热性好等优势和单晶光纤/棒状(块状)固体放大器的脉冲峰值功率高、非线性效应弱等优势结合,是实现结构紧凑、稳定性好、成本低的高峰值功率、大能量超短脉冲激光器的有效手段。总结了近年来1 μm波段掺镱光纤激光器、光子晶体光纤放大器、单晶光纤放大器和棒状(块状)固体放大器的国内外研究进展,重点介绍了本课题组在高功率超短脉冲光纤激光器、光子晶体光纤与固体放大器等领域的工作,同时探讨并展望了光纤-固体混合放大技术未来的发展方向。

人眼安全波段单频激光可作为相干多普勒测风、相干成像及大气中甲烷、二氧化碳等气体浓度差分探测激光雷达的光源。针对激光雷达对单频激光器的应用需求,本文综述了1.6 μm波段、2 μm波段连续及脉冲全固态单频激光器的研究进展;对单频激光的不同纵模选择方法、不同注入锁定控制方法、种子注入锁定及主振荡功率放大技术的特点进行了对比分析;对人眼安全波段全固态单频激光器的未来发展前景进行了展望。

高重频全固态掺镱飞秒激光放大器在工业超快非热微加工、极紫外光学频率梳、高通量高次谐波产生、角分辨电子动量谱等领域有着重要的作用。首先总结了高重复频率飞秒激光放大面临的增益介质热管理和增益窄化效应等关键技术瓶颈,并对近年来不同掺镱晶体全固态再生放大和行波放大技术的参数特点、适用范围及研究进展进行了梳理。最后展望了基于新型掺镱激光介质的全固态高功率飞秒激光放大器。

超快光纤激光是目前激光器研究的一个热点。非线性可饱和吸收效应是光纤激光器被动锁模技术的核心。被动锁模技术主要分为真实饱和吸收体和人造饱和吸收体,真实可饱和吸收体包括:半导体可饱和吸收镜(SESAM)和纳米材料等;人造可饱和吸收体包括:非线性偏振旋转演化(NPE)、非线性光环形镜(NOLM)、非线性多模干涉(NLMMI)和Mamyshev再生器(Mamyshev)等。本文综述了最近各类可饱和吸收效应锁模光纤激光器的发展方向,简要阐明工作原理、技术优势、解决所面临问题的方法以及应用领域。

非线性脉冲压缩技术是提升高功率全固态超快激光器性能,获得更短脉宽、更高峰值功率超短脉冲激光的重要手段。非线性脉冲压缩依靠克尔效应引起的自相位调制和之后的啁啾补偿来实现。本文介绍了近年来非线性脉冲压缩方法的研究进展并展望了发展前景。

基于光学超晶格的光参量振荡技术是研制2~5 μm波段中红外相干光源的有效技术手段,在遥感探测、精密测量、环境监测、医疗诊断、科学研究和****等领域具有非常重要的应用价值。总结了光学超晶格2~5 μm中红外光参量振荡器的国内外研究进展,重点分析了连续波、纳秒脉冲以及皮秒脉冲等不同运转模式下光参量振荡器的结构特点、优势和发展前景。并对光学超晶格中红外光参量振荡器的发展趋势进行了展望,指出高功率、宽调谐、低功耗、小型化和轻量化是光学超晶格光参量振荡器的重要发展方向,而高质量大尺寸(厚度)的光学超晶格晶体、性能优异的泵浦源和可靠的工程化样机设计是未来光参量振荡器发展的核心技术。

基于极紫外波段高次谐波产生(high-order harmonic generation, HHG)的光学选通技术已成为目前人们获得孤立阿秒脉冲(isolated attosecond pulse, IAP)的重要手段。由于IAP继承了驱动激光脉冲的光学属性和重复频率,因此具有良好的时空相干性和方向性。近转换极限极短脉宽IAP的产生不仅需要在极紫外区域有较宽的连续光谱支持,还需要对其所携带的本征色散进行补偿。据此,本文从理论上模拟计算了多组阿秒脉冲光谱、本征色散和金属膜材料色散的参数组合,在中心光谱98,120,170 eV附近的结果表明,选用不同厚度的锆膜、钼膜和锡膜对应中心能量的高次谐波可以实现色散补偿。最终确定120 eV中心光子能量加钼膜的组合有可能在较高的产生效率下产生近40 as的IAP。基于上述参数选择,设计了一套由非共线阿秒条纹相机和平场光谱仪组成的极紫外阿秒束线及相应的真空系统,该系统可用于高次谐波及阿秒脉冲的测量。

报道了一台激光二极管双端端面偏振抽运的低噪声单向行波环形腔连续波单频Er,Yb∶YAB 1.5 μm激光器。通过精确测量蓝宝石-Er,Yb∶YAB-蓝宝石薄片和铋铁石榴石磁光晶体的热透镜焦距,采用双端面、长聚焦、偏振选择的抽运结构,通过提高可注入的抽运功率、降低激光晶体的热效应,首次实现了基于单向行波环形腔单纵模选择技术的全固态连续波单频1.5 μm激光运转。连续波单频1.5 μm激光输出功率达755 mW,2 h内的功率波动小于±1.2%,激光的强度噪声在分析频率大于5 MHz的范围内达到散粒噪声极限。

采用高质量的全固态连续单频1064 nm红外激光器作为泵浦源,以金刚石晶体作为拉曼增益介质,利用腔共振增强技术设计了一种双共振腔,实现了瓦级输出的低泵浦阈值单频1240 nm拉曼激光器。根据金刚石晶体的实际参数,通过优化设计得到了谐振腔对泵浦光的最佳透射率。当透射率为3.5%时,利用H?nsch-Couillaud偏振锁定系统将拉曼谐振腔的腔长精确锁定到泵浦光的共振频率处,实验测量到的拉曼激光器的泵浦阈值功率只有2.73 W。在此基础上,当单频1064 nm泵浦功率增加到9.17 W时,获得了1.48 W稳定单频的1240 nm拉曼激光输出,对应的斜效率为24.9%, 30 min内的功率稳定性优于1.10%(均方根),x,y方向的光束质量M2因子均优于1.2。该双共振腔的设计为降低拉曼过程阈值、获得稳定单频的高功率拉曼激光提供了一种有效的途径。

设计和研制了1645 nm Er∶YAG单频脉冲激光器系统,采用注入种子技术和对称泵浦的双Er∶YAG陶瓷结构,当脉冲重复频率为200 Hz时,获得了最大平均脉冲能量为22.75 mJ、脉冲宽度为223.1 ns的单频调Q脉冲激光输出,x和y方向上的光束质量因子分别为1.16和1.15,0.5 h内单频脉冲的中心频率稳定性为578 kHz,激光脉冲输出能量的不稳定性小于0.5%。

超短脉冲光纤激光器在工业、医学、科研等许多领域有着重要的应用。报道了基于全保偏非线性放大环形镜(NALM, nonlinear amplifying loop mirror)锁模的掺镱光纤激光器,通过调整腔内无源光纤的长度和位置,实现了21 MHz~100 kHz重复频率下的锁模。在21.16 MHz重复频率下实现了3 dB光谱带宽为9.1 nm、脉宽为5.3 ps的单脉冲锁模输出,经压缩后脉宽为352 fs。当重复频率为5.92 MHz时,获得了3 dB光谱带宽最宽为30 nm和压缩脉宽最窄为177 fs的锁模脉冲输出。受限于光纤长度,当最低重复频率为100 kHz时,从振荡器直接输出的锁模脉冲的单脉冲能量为104 nJ,脉宽为300 ps,经压缩后脉宽为1.053 ps。在所有重复频率下,锁模脉冲都具有宽光谱、可压缩至亚皮秒量级等特性,并且不是耗散孤子共振或者类噪声脉冲。其中,当重复频率为388 kHz时,脉宽为62.7 ps、单脉冲能量为20.8 nJ的NALM锁模种子源经过单级光纤放大器后,单脉冲能量可以直接放大到3 μJ,最终脉宽可以被压缩至537 fs,整个激光器系统不含脉冲选择器件和额外的多级光纤放大级,结构十分紧凑。

利用超稳腔PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术,对自研的分布Bragg反射(DBR)单纵模光纤激光器稳频,获得亚赫兹线宽超稳激光的稳频结果。通过优化腔结构参数,辅以绝热封装和精密温控等措施,并在腔内设置可快速宽范围调谐激光频率的压电陶瓷(PZT),研制出了可满足超稳腔PDH稳频要求的自由运转DBR光纤激光器。基于腔长为10 cm、精细度为360000的超稳光腔频率为参考频率,PDH稳频后光纤激光器的1 s和100 s频率不稳定度分别达到了6×10 -16和8×10 -15,频率噪声降低至8×10 -3 Hz 2/Hz@1~10 Hz,激光线宽窄至280 mHz,由此表明研制的光纤激光器可用于构建亚赫兹线宽超稳激光光源。

基于光学超晶格的光参量振荡技术是产生2~5 μm中红外光源的有效途径,在大气环境监测、医疗诊断、精密光谱分析、光电对抗等领域具有重要的应用价值。针对小型化中红外激光器应用需求,开展了结构紧凑、高效率、宽调谐的纳秒光纤激光泵浦的周期极化掺镁铌酸锂光学超晶格(MgO∶PPLN)光参量振荡器(OPO)的研究。采用1.06 μm纳秒光纤激光泵浦多周期(29~31.6 μm)MgO∶PPLN晶体,结合周期和温度调谐,实现了闲频光2.37~4.01 μm连续调谐中红外激光输出。当泵浦功率为9.95 W时,2.37~3.75 μm平均输出功率均大于1.7 W,其中3.4 μm平均输出功率最大,相应的功率和光光转化效率分别为3.68 W和37%。重点讨论了在2.4、2.7、3.8和4.0 μm处的中红外激光输出特性,最大平均输出功率可分别达到2.87、2.45、1.87和1.22 W,相应的光光转化效率分别为17.2%、19.8%、11.2%和8.6%。本文的研究结果为小型化宽调谐中红外激光器的研发提供了重要的实验依据。

针对矩形阵列光束与光纤耦合的角度填充系数低,以及未能充分利用光纤数值孔径的缺点,提出密堆积阵列光束的光纤耦合方式以最大化角度填充系数,从而提升光纤耦合的输出亮度。基于该排布方式设计无像差平行平板缩束装置,相比于望远镜缩束系统,该装置可保持光束发散角不变,消除阵列光束之间的暗区,改善组合光束的光束质量。仿真结果表明,该装置可将14支功率为1.5 W绿光单管耦合进数值孔径为0.15和芯径为105 μm的光纤中,获得93.75%的光纤耦合效率,输出功率为19.13 W,对应亮度为3.125 MW·cm ^-2·Sr ^-1,系统的总光-光传输效率达91.10%。

报道一种可实现稳定单纵模运转的低噪声环形复合腔掺铒光纤激光器。利用保偏光纤抗外界扰动能力强的特性,精细地优化复合腔参数以拓宽有效纵模间隔。对经隔震绝热封装后的激光器采取温度补偿,可对复合腔自由光谱范围(FSR)进行微调,使得复合腔激光器可更精准地运用Vernier效应来有效抑制跳模,进而该激光器可实现14 h以上无跳模的稳定单纵模连续运转,输出激光的信噪比高达80dB,线宽窄至400Hz。此外,还首次测量了环形复合腔掺铒光纤激光器在自由运转下宽频段内强度噪声和频率噪声特性,测量结果表明,该激光器在1mHz~1MHz宽频段内的强度噪声和频率噪声低,在1mHz~10Hz频段,强度噪声和频率噪声均优于典型分布Bragg反射(DBR)光纤激光器的噪声水平,且弛豫振荡频率也更低。

以两个65 W的793 nm 激光二极管(LD)作为泵浦源,采用U型谐振腔结构进行高功率声光调Q运转实验研究。采用三种b轴切割的板条状镀金Tm∶YAP晶体作为增益介质,分析比较三种增益介质和不同腔参数组合对激光输出性能的影响。当最大泵浦功率为130 W时,连续激光输出的最大功率为42.5 W,斜率效率为42.5%。经过声光(AO)调制后,当重复频率为10 kHz时,调Q激光的最大平均输出功率为33.2 W,脉冲宽度为200 ns。将重复频率提高至40 kHz时,获得最短脉冲宽度为64 ns,相应平均功率为30 W,中心波长为1944 nm的激光输出。采用MATLAB软件仿真输出脉冲激光光斑的三维能量分布,光斑能量呈典型的高斯分布,可见光束质量较好。高功率Tm∶YAP激光器可作为3~5 μm中红外光学参量振荡器的泵浦源,在众多领域具有良好的应用前景和巨大的发展潜力。

1024 nm波长的脉冲激光在角分辨光电子能谱测量等领域有着不可或缺的用处,因此采用基于非线性偏振旋转(NPR)锁模的全正色散掺镱光纤激光器作为种子源,搭建了包含光纤可调滤波器的主振荡功率放大系统,实现了1024 nm激光放大输出。理论上基于金斯伯格-朗道方程模拟了NPR锁模的耗散孤子脉冲演化过程,实验上获得了耗散孤子脉冲输出,并且研究了锁模脉冲的建立过程,将其与理论仿真结果相比,结果基本吻合。通过可调滤波器对种子光进行滤波,并进行预放大及放大实验,当放大级泵浦功率为5 W时,得到中心波长为1024 nm、平均功率为1.1 W、脉冲能量为51 nJ、重复频率为21.5 MHz、信噪比为67.5 dB的稳定锁模脉冲输出。

为了使半导体激光器输出高功率、高光束质量的激光,垂直外腔面发射激光器(VECSEL)应运而生。本文通过对激光器谐振腔的稳定条件进行计算,并结合实验估算出VECSEL中增益芯片的热透镜在泵浦功率为31.3 W时的热焦距在45.7 mm到53.6 mm之间。实验过程中观测到增益芯片的荧光光谱随观测角度变化的现象,并提出一种通过观测增益芯片在不同角度下的荧光光谱来直接估算VECSEL的调谐范围的方法,用所提方法测得增益芯片调谐范围为995~1030 nm。