相干合成超快光纖激光產(chǎn)生毫焦級能量的高功率飛秒脈沖
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)域的廣泛應用需求，是近十多年來超快超強激光技術(shù)研究的前沿熱點內(nèi)容，特別是光纖激光由于穩(wěn)定可靠的運行特性、皮實緊湊的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的光束質(zhì)量、較低的成本等優(yōu)勢，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百瓦量級。但由于受限于光纖中有害的非線性效應，單路光纖產(chǎn)生的單脈沖能量在保證時域脈沖質(zhì)量和光束質(zhì)量的情況下，難以突破毫焦的瓶頸，限制了對激光強度有要求的許多重要應用。 j#3m|dQ
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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、毫焦量級飛秒脈沖的可行方案。相干合成分主動相干合成和被動相干合成兩種，主動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，但是需要復雜和昂貴的電控鎖定系統(tǒng)；而被動合成無需電控相位穩(wěn)定器件，裝置較為簡單，但受合成路數(shù)的限制，合成平均功率及單脈沖能量低。 b_vTGl1_6
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針對上述問題和難點，中國科學院物理研究所/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 年實現(xiàn) 100W 平均功率的基礎(chǔ)上（Opt. Lett. 46, 3115 (2021)），最近基于被動合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)，不僅進一步獲得了最高平均功率可達200 W的結(jié)果，而且在100 kHz的重復頻率下，單脈沖能量達到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學會期刊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的博士生史卓。 lFf XWNb
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圖1. 實驗裝置圖 fHfY}BQS
實驗裝置如圖1所示，由前端提供的能量為0.80μJ、重復頻率在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 組成的時間分脈沖裝置一分為二，分束為兩個間隔約2ns的小脈沖，進一步通過PBS5分為四個脈沖進入Sagnac環(huán)路放大。其中兩個脈沖沿順時針方向傳輸，另外兩個沿逆時針方向傳輸，并在進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對脈沖進行偏振過濾，兩個方向的光傳輸一圈后在PBS5匯合，兩兩進行空間合成，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，在時間分脈沖裝置處通過時域重合成為一個脈沖，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。實驗結(jié)果表明在150kHz的重復頻率下，合成端口的平均功率達160W。當將重復頻率降低為100kHz時，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量結(jié)果。顯示脈寬為 240fs，光譜寬度為8.7nm，3小時內(nèi)對應的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。 _whF^g8
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