基於非線性壓縮的工業級超短超強飛秒激光器新進展

高峰值功率和短脈寬的組合實現了激光與(yu) 物質作用在最小化熱效應的同時產(chan) 生極強的局部電場強度，為(wei) 物質有效電離和剝脫創造基本物理條件。在極端物理研究領域如阿妙光源、激光核聚變，以及材料科學、分析化學等需要極短時間的物質光致激發應用方麵，這種超短、瞬時超強的激光束成為(wei) 先進的研究工具。

非線性光譜展寬技術

在飛秒激光技術的發展中，以800nm波長鈦寶石飛秒激光係統為代表，為極端物理研究提供了少周期毫焦脈衝；但鈦寶石激光器的平均功率難以提升，而以摻鐿離子晶體為增益介質的飛秒光源，其平均功率和單脈衝能量可以達到數百瓦、數毫焦，可是受限於鐿離子的能級特征，其發射譜寬度無法支持數十飛秒的脈衝。

非線性光譜展寬技術的發展為擴展脈衝的光譜寬度，二次色散補償獲得少周期超短脈衝提供了途徑，主要手段包括采用空芯波導光纖、充特種氣體密封管、固體非線性介質作為光學非線性效應產生的載體，注入超短脈衝在這些器件中激發出自相位調製效應，從而擴展脈衝的光譜寬度。空芯波導光纖、充特種氣體密封管在實際使用中，存在著光束耦合難度大、精度要求高、端麵損傷閾值低、受環境因素影響敏感等弊端；采用固體非線性介質的多通腔光譜非線性展寬方法耐受激光功率高，但腔型布局對光束質量影響顯著，且多通腔體積大、三維空間光路調試複雜。

出於技術服務應用的觀念，超快激光行業將非線性光譜展寬技術用於極窄飛秒脈衝的壓縮，須采用一種成本和光機結構相對友好的技術路線。通過巧妙利用超短脈衝激光在物質中的自聚焦效應，以多個固體非線性介質間隔排列的方式，組合出一組自相位調製激發裝置，實現在較短的空間範圍內，以主動聚焦、自聚焦方式管理飛秒光束的非線性相移，實現對脈衝光譜的展寬。該方法已多次在學術刊物上報道，被證明是行之有效的獲得固體介質中展寬光譜的一種相對簡潔的技術路線。

奧創光子FS-1030-120

奧創光子新推出的工業(ye) 化120W/1.2mJ飛秒激光器FS-1030-120，通過多級摻鐿固體(ti) 放大器提供高增益，同時優(you) 化放大過程的熱管理，使之兼具高平均功率、大能量的特點，其直接輸出的脈衝(chong) 峰值功率已達1.4GW，且具有良好的光束質量。激光束優(you) 良的光強和空間特性是確保後繼非線性光譜展寬和時域二次壓縮的前提。通過外置非線性壓縮腔的增強型FS-1030-120-EXshort，是在普通型激光頭輸出麵板外掛非線性壓縮腔，而無須改變激光器原有的光機機構和控製方式，但具備了輸出80W/600uJ/125fs超短超強飛秒脈衝(chong) 的能力，其峰值功率提升至4.8GW。

圖1. FS-1030-120-EXshort型激光器外觀照片

EXshort式非線性壓縮腔為(wei) 獨立的光譜展寬、色散補償(chang) 一體(ti) 化模塊，外形尺寸410mm×150mm×88mm，內(nei) 置了多組不同組分的非線性玻璃平板，每一塊平板在聚焦高斯光束的作用下發揮出自相位引起的光譜展寬，而不同位置玻璃板的彼此間距也通過嚴(yan) 格的模擬仿真計算和光斑形貌實測來確定，以確保每一塊玻璃板中激發出自相位調製效應卻遠離多光子吸收和光損傷(shang) 閾值；每一塊玻璃板的厚度精心選取，平衡自相位調製光學條件和自聚焦長度，保持足夠的非線性光譜展寬並保持介質內(nei) 有一定的自聚焦效果，從(cong) 而支持多組玻璃板之間的高斯光束自再現變換與(yu) 傳(chuan) 播。

圖2. FS-1030-120型激光器加裝

EXshort模塊前後的激光光譜

EXshort的設計輸出脈寬為(wei) 100~150fs，因而其內(nei) 置用於(yu) 非線性光譜展寬的玻璃板總厚度有限，所需的額外色散補償(chang) 器件（啁啾鏡組）占用空間就很小，這確保了模塊整體(ti) 的緊湊結構。EXshort模塊的設計、裝調過程解決(jue) 了自聚焦引起的飛秒光束空間分布非均勻和頻域光譜分布非均勻的難題，克服了啁啾鏡尺寸受限的影響，具備適中的脈衝(chong) 非線性壓縮比和高光束質量，成為(wei) 拓展各類高能摻鐿晶體(ti) （尤其是常用的Yb:YAG）飛秒激光放大器峰值強度，進入極窄超短脈衝(chong) 應用領域的利器。

圖3. FS-1030-120型激光器加裝

EXshort模塊前後的輸出飛秒脈衝自相關曲線

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