華東(dong) 師範大學曾和平教授和上海理工大學郝強副教授帶領的研究團隊成功研製了參數為(wei) 1.56μm/ 60nJ/ 100fs/ 10MHz的高穩定性、可靠耐用的超快激光光源。

“2019中國光學十大進展”候選推薦

1.56μm波段飛秒脈衝(chong) 激光在激光通信、醫療診斷、微納加工、精密測量等領域具有廣泛的應用價(jia) 值。特別是，通過光學倍頻技術，1.56μm倍頻激光器可工作鈦寶石激光器的輸出波段，致其應用場景進一步拓展。

當前，鈦寶石振蕩器和放大器產(chan) 品發展成熟，在極短脈衝(chong) (<20fs)和超大能量(>1mJ)方麵具有顯著的指標性優(you) 勢。相較於(yu) 鈦寶石激光器，摻鉺光纖飛秒激光器產(chan) 品在50-100fs脈衝(chong) 寬度和<10nJ單脈衝(chong) 能量方麵具有顯著的性價(jia) 比優(you) 勢。進一步綜合光纖激光器的高效率、免維護、環境適應性強等優(you) 勢，摻鉺光纖飛秒激光器已成為(wei) 鈦寶石激光器的理想替代光源。據了解，輸出功率在百毫瓦量級的780/1560nm飛秒激光器國內(nei) 每年有約300台的市場容量，且科研市場逐年增長。

限製1.56μm波段飛秒脈衝(chong) 功率提升和脈衝(chong) 壓縮的關(guan) 鍵技術問題是非線性和色散管理。通常，啁啾脈衝(chong) 放大技術(chirped-pulse amplification, CPA)是克服非線性效應的一種主要手段，該技術在800nm鈦寶石激光器和1.03μm摻鐿光纖激光器中應用廣泛。然而，由於(yu) 光柵壓縮器的衍射效率、結構複雜、高階色散等問題，CPA技術在1.56μm波段的發展並不順利。

此外，考慮到通過增加腔內(nei) 光纖長度較容易降低脈衝(chong) 重複頻率，即可利用啁啾脈衝(chong) 振蕩(chirped-pulse oscillation, CPO)技術直接從(cong) 振蕩器產(chan) 生高能量超短脈衝(chong) 。圖1中的藍色和橙色虛線分別描述了利用CPA和CPO技術獲取到的脈寬和能量趨勢曲線。近年，分離脈衝(chong) 放大(divided-pulse amplification, DPA)或稱為(wei) 相幹脈衝(chong) 合成(coherent beam combination, CBC)技術已逐漸成為(wei) 1.03μm波段產(chan) 生千瓦平均功率超短脈衝(chong) 的主要手段。該技術基於(yu) 偏振分束將種子光進行能量分配，分別注入多個(ge) 放大器中進行能量提升，可按比例降低放大器中脈衝(chong) 的峰值功率，進而有效管理放大脈衝(chong) 非線性效應。

圖 1.56μm波段超短脈衝(chong) 產(chan) 生和放大的結果比較。其中，實心圖標為(wei) 保偏結構激光器，空心圖標為(wei) 非保偏結構激光器。藍色和橙色虛線分別為(wei) CPA和CPO技術的趨勢曲線。

與(yu) 工作在1.03μm波段光纖正常色散區不同的是，1.56μm波段脈衝(chong) 工作在光纖的負色散區，可在光纖中實現功率放大、光譜展寬、脈衝(chong) 壓縮的同時進行(即脈衝(chong) 非線性放大壓縮)，避免使用空間結構的脈衝(chong) 壓縮器，極大簡化了光纖飛秒激光器的結構，顯著改善了激光器穩定性。

研究團隊深入研究了光纖負色散區的分離脈衝(chong) 放大技術。通過管理光纖預放大器和主放大的淨色散和增益，基於(yu) ×16脈衝(chong) 分離獲得了最高平均功率1.6W、脈衝(chong) 寬度120fs的脈衝(chong) 輸出，基於(yu) ×64脈衝(chong) 分離獲得了最高單脈衝(chong) 能量60nJ、脈衝(chong) 寬度95fs的脈衝(chong) 輸出，突破了CPO和CPA技術趨勢曲線。相關(guan) 研究成果以“60 nJ, 95 fs environmentally stable Er-doped fiber laser system”為(wei) 題發表於(yu) Chinese Optics Letters 17，061401 (2019)上。