High Power Laser Science and Engineering
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HPL Highlights (e35): Yb:KGW固体飞秒激光再生放大器

发布:lina000288阅读:882时间:2021-3-11 13:39:37

Yb:KGW固体飞秒激光再生放大器

 

高重频超强超短激光可以驱动产生多种高品质辐射源,如高能电子、质子、X射线、伽马射线等,这些辐射源在医疗、成像、检测等关系国计民生的众多领域有着重要潜在应用。传统的超强超短激光基于钛宝石晶体的啁啾脉冲放大(CPA)或非线性晶体的光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)。然而传统的方案对能源系统(泵浦光)提出了苛刻要求,比如高能量、高光束质量、短脉宽、绿光、时间同步等。这导致整体结构复杂、电光效率低下(0.1% - 2%)、成本高昂等,其应用研究多集中于实验室,难以在工业、医疗等领域大规模推广。

为解决上述问题,深圳技术大学提出了半导体泵浦掺镱固体激光结合非线性压缩的方案,如图1所示,成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2020年第4期(Huijun He, Jun Yu, Wentao Zhu, et al. A Yb:KGW dual-crystal regenerative amplifier[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2020, 8(4): 04000e35)。

种子源为光纤锁模振荡器,输出光谱带宽支持200 fs以下脉冲;经马丁内兹型展宽器后,脉宽约为250 ps;基于钨酸钆钾(Yb:KGW)的再生放大器将脉冲能量放大至1 mJ以上,增益超百万倍;预放大后的激光经主放大,将能量推进至40 mJ以上;放大后的脉冲,分别经过双光栅线性压缩器、多通气体室非线性压缩器,将脉冲压缩至25 fs,能量保持在25 mJ以上,峰值功率达到1 TW,同时重复频率保持在kHz。

图1 新型高重复频率超强超短激光系统方案

作为方案的第一阶段,研究人员设计、搭建了基于Yb:KGW的再生放大器,为了克服增益窄化和热效应,在再生放大器中引入两块Yb:KGW晶体,将两块晶体的轴向垂直放置。一方面利用Yb:KGW晶体不同轴向的激光发射截面分布不同,对增益窄化效应进行补偿;另一方面利用两块晶体的热透镜相互补偿,使得再生放大器能够工作在较高功率密度泵浦下。

实验结果如图2所示,基于双晶体的增益补偿效果,再生放大器输出激光的光谱带宽为9 nm,经Treacy型压缩器后获得227 fs的脉宽;光束质量良好,在kHz、1.2 mJ的条件下M2约为1.1。

图2 再生放大器输出激光的光谱和光束质量

同时,研究人员对再生放大器进行了系统集成,使之结构紧凑、方便使用,如图3所示。

图3 Yb:KGW再生放大器集成图

深圳技术大学何会军博士是该论文的第一作者,郭晓杨副教授、周沧涛教授和阮双琛教授为共同通信作者,深圳技术大学为第一完成单位。本项研究工作得到深圳市高层次人才项目支持。