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(guó)防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用需求，是近十多年來超快超強(qiáng)激光技術(shù)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)內(nèi)容，特別是光纖激光由于穩(wěn)定可靠的運(yùn)行特性、皮實(shí)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(shì)，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(dá)百瓦量級(jí)。但由于受限于光纖中有害的非線性效應(yīng)，單路光纖產(chǎn)生的單脈沖能量在保證時(shí)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(duì)激光強(qiáng)度有要求的許多重要應(yīng)用。
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(jí)飛秒脈沖的可行方案。相干合成分主動(dòng)相干合成和被動(dòng)相干合成兩種，主動(dòng)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(fù)雜和昂貴的電控鎖定系統(tǒng)；而被動(dòng)合成無需電控相位穩(wěn)定器件，裝置較為簡(jiǎn)單，但受合成路數(shù)的限制，合成平均功率及單脈沖能量低。
針對(duì)上述問題和難點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)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(dòng)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(shí)現(xiàn) 100W 平均功率的基礎(chǔ)上（Opt. Lett. 46, 3115 (2021)），最近基于被動(dòng)合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)，不僅進(jìn)一步獲得了最高平均功率可達(dá)200 W的結(jié)果，而且在100 kHz的重復(fù)頻率下，單脈沖能量達(dá)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(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)期刊Journal of the Optical Society of America B上，論文第一作者為常國(guó)慶特聘研究員指導(dǎo)的博士生史卓。
圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置圖
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由前端提供的能量為0.80μJ、重復(fù)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(shí)間分脈沖裝置一分為二，分束為兩個(gè)間隔約2ns的小脈沖，進(jìn)一步通過PBS5分為四個(gè)脈沖進(jìn)入Sagnac環(huán)路放大。其中兩個(gè)脈沖沿順時(shí)針方向傳輸，另外兩個(gè)沿逆時(shí)針方向傳輸，并在進(jìn)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(duì)脈沖進(jìn)行偏振過濾，兩個(gè)方向的光傳輸一圈后在PBS5匯合，兩兩進(jìn)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(shí)間分脈沖裝置處通過時(shí)域重合成為一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在150kHz的重復(fù)頻率下，合成端口的平均功率達(dá)160W。當(dāng)將重復(fù)頻率降低為100kHz時(shí)，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(cè)量結(jié)果。顯示脈寬為 240fs，光譜寬度為8.7nm，3小時(shí)內(nèi)對(duì)應(yīng)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(duì)。
圖2. 單脈沖1.07 mJ時(shí)的（a）自相關(guān)曲線，（b）光譜分布，（c）功率穩(wěn)定性和（d）光束質(zhì)量結(jié)果
相比于以往基于單路放大或主動(dòng)合成的高功率摻鐿光纖飛秒激光光源，本研究使用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的被動(dòng)合成方式，獲得了大于 1mJ 的結(jié)果，突破了常規(guī)飛秒光纖激光單脈沖能量的瓶頸，并具有高達(dá)200W的平均功率輸出能力優(yōu)良的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，可望在高重復(fù)頻率阿秒高次諧波的產(chǎn)生、特殊材料的精密加工切割、半導(dǎo)體芯片缺陷檢測(cè)及生物醫(yī)學(xué)成像等方面發(fā)揮重要作用。這一進(jìn)展相關(guān)的裝置及核心器件已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。
該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：No. 2021YFB3602602）、國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：No. 62175255和62227822）和中國(guó)科學(xué)院重要儀器研制項(xiàng)目的支持。常國(guó)慶特聘研究員為通訊作者，博士生王井上、張瑤及魏志義研究員、西安電子科技大學(xué)王軍利教授也參與了該工作的設(shè)計(jì)和討論。
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