受時間帶寬積原理的物理限制以及高功率飛秒激光增益介質實際增益帶寬的制約，常用的摻鐿激光介質難以支持直接輸出亞百飛秒脈沖。超快激光技術領域發展出的非線性光譜展寬方法，可實現對激光器輸出的飛秒脈沖進行二次光譜寬度擴展，再通過二次色散補償獲得更窄的脈寬。該技術方法已在科研用飛秒激光系統中推廣使用，成為數十飛秒窄脈沖的常用產生機制。隨著各類低損耗非線性光譜展寬器件的出現和完善，該技術也逐步進入工業飛秒激光系統，為極端制造、精密加工創造更高峰值功率、更小熱效應的激光源。奧創光子已推出了EXshort系列非線性脈沖壓縮裝置，具有獨立的模塊化封裝，可內置于飛秒激光器腔內或外掛于飛秒激光器輸出端，對傳統飛秒激光器的輸出百飛秒脈沖進行再次壓縮，可獲得脈寬100~150fs的更窄脈沖。并且奧創光子團隊的技術迭代開發工作仍在持續進行中，目前我們已完成2000W高功率高能量飛秒激光器的樣機開發，最大可輸出能量8mJ的超短超強脈沖，具有80GW的超高峰值功率！在飛秒激光市場向更高功率、更大能量飛秒激光器需求的驅動下，窄脈寬高能高功率飛秒激光器成為戰略前沿產品，在高效精密加工、大科學裝置等應用方向有著眾所期待的潛力。針對這樣的前瞻性應用需求，奧創光子開發出了適用于高功率、大能量飛秒脈沖的非線性壓縮裝置，可承受激光功率最大達300W，最大輸入脈沖能量高達2mJ，并具有與EXshort系列類似的一體化獨立腔體結構，能夠方便安裝到奧創光子的大部分飛秒激光頭前端，實現對各型號飛秒激光器的峰值功率拔高。
圖1. 外置于高能飛秒激光器的非線性壓縮裝置實物
定位于無源性高功率激光模組，該產品的激光強度承受能力是首要考慮因素。不同于EXshort系列的光譜非線性展寬介質采用石英玻璃，高功率激光的非線性光譜展寬須在極高損傷閾值的光學透明載體中實現，對于高能飛秒激光束，自身就有極高的峰值功率，其電場強度足以在空氣中激發非線性效應，因而空氣恰好是理想的高穩定性光譜展寬介質。考慮空氣介質有限的非線性系數，自相位調制的激發需要激光束的反復聚焦方能實現，從而以多通腔（MPC）作為入射飛秒激光束的光路架構，即一對共焦凹面鏡組成的類諧振腔腔體將入射飛秒脈沖在一定的光程內制約于腔內往返反射傳輸，每次經過腔內焦平面附近即產生極高峰值功率密度，激發非線性光學效應；多次往返和聚焦所產生的自相位調制效應積累，脈沖光譜因此逐漸加寬。合理設計折返次數，當加寬到所需譜寬，脈沖恰好從多通腔反射輸出，進入到下一個色散補償環節。色散補償鏡和多通腔凹面反射鏡表面承受著很高的光強，其鍍膜參數就要求極高，鍍膜光學品質不僅要保證高于光致損傷閾值、光電離閾值，并且凹面反射層在相當寬的光譜范圍內要有低色散特性，而色散補償鏡具有較大的負色散特性。該模塊產品的MPC腔鏡為60mm直徑，能夠分布超過30次的往返光路，啁啾鏡數量2~6片可根據脈沖實際測得的啁啾特性來調整。
產品家族的相互兼容性、適應性是各類附件產品，尤其是外置式裝置的設計原則之一。類似于奧創光子的外掛式倍頻模塊，該非線性壓縮裝置在殼體接口一側具有定位槽，方便初步定位入射角度和光高，實現與奧創光子各類飛秒激光頭銜接；而且考慮到不同型號激光器的初始入射脈沖強度的差異，有效的非線性光譜展寬就相應地需要不同的MPC腔內折返次數，或不同的聚焦點光斑直徑，為了保證該兼容性需求，對MPC的輸入光束整形透鏡組設計了可變聚焦功能，以此實現對腔內聚焦光斑直徑的調整，同時將MPC導入鏡的調節機構設計為五維可調的機械結構，可根據不同的腔內折返次數需求來調整導入光束的初始角度、位置。這樣的兼容性調節機構設計，使該非線性壓縮模塊能夠改變MPC中激發的非線性效應強度，按實際應用需要的光譜寬度進行MPC腔內折返次數調整，實現對200μJ~2mJ大范圍能量強度的入射飛秒脈沖二次壓縮。實際壓縮效率受MPC腔內折返次數以及啁啾鏡的影響。兼容性亦體現在該裝置的非線性效應加強需求，即對于需要急劇展寬光譜的應用，或入射脈沖峰值過小，僅靠空氣的非線性難以支持光譜有效展寬，對此而設計了氣體輸入輸出接口，在需要增強非線性介質的非線性系數時，可向腔內充入高非線性氣體。
圖2. 非線性壓縮裝置的典型輸入輸出光譜和脈沖
作為激光頭上的外掛模塊，其穩定性決定了產品適用度。除了具有連接槽、支撐座的氣密性殼體，殼內的光機零部件大部分為膠化固定，確保每個光學鏡片的穩固性，僅有的幾個可調機械裝置都具備鎖緊功能。輔助調光機構包括校準光束輸入窗口、內光路分支指向點監測窗口、腔鏡光斑分布監測窗口等，能夠滿足對腔內幾處關鍵位置的光束能量、指向的測量和判斷，不僅便于生產裝調，也利于后期維護檢修。該裝置唯一需要定期更換的物料是內嵌于腔體側壁中的干燥劑。
幾個典型的非線性壓縮輸出數據見圖2、圖3、圖5。在48.7、1.21mJ的1030nm飛秒激光輸入下，該非線性壓縮裝置輸出43.5W、1.08mJ的二次壓縮脈沖，整體效率接近85%，當入射脈沖峰值功率提高，壓縮效率會進一步提升。入射脈沖寬度759fs，非線性壓縮后的輸出脈沖寬度97fs，獲得了近7倍的壓縮比。為了兼容不同脈寬的應用需求，用戶可以調節飛秒激光器的壓縮器輸出不同脈寬，則非線性壓縮后的脈寬也隨之發生改變，這就相當于調節輸入脈沖的啁啾量以改變非線性壓縮效果，其數值模擬仿真所得規律性見圖4。
圖3. 數值模擬在不同啁啾特性的入射脈沖條件下，輸出的非線性壓縮脈沖光譜和脈寬演化規律
實測中，當前端飛秒激光器為脈寬可調（如700fs~10ps），經過非線性壓縮裝置后的脈寬范圍也相應擴展到最短~100fs。該非線性壓縮裝置良好的機械穩定性和雜散光管理，確保了輸出的二次壓縮脈沖的功率穩定性（圖5）。
圖5. a非線性壓縮裝置的輸出功率穩定性測試
圖5. b.輸出光束指向穩定性測試
奧創光子技術有限公司是一家專業從事工業級飛秒激光器及其核心器件研發、生產與應用的國家高新技術企業。總部坐落于浙江省杭州市，目前擁有約10000平方米光學潔凈室和辦公區。公司創始核心團隊由中科院西安光學精密機械研究所國家重點實驗室核心隊伍及海歸超快激光器工程化專家共同組成，其中包括國家萬人計劃專家、國際知名超快激光器企業首席設計師等，是目前國內超快激光領域的先行者和引領者。
自2018年創立以來，公司已申請150余項專利，已擁有核心技術包括NALM全光纖長壽命鎖模種子源量產工藝、高階色散可調控CFBG制作工藝、拋物脈沖高保真光纖CPA技術、高增益innoslab放大器封裝工藝及技術等，結合100%自主設計的超快種子源、溫度調諧式啁啾光纖光柵等核心器件，已成功推出千瓦級、毫焦級、超短脈寬等系列化飛秒激光器產品，并在國內率先實現工業領域批量出貨，年量產出貨超過500臺，打破了該領域被國外產品長期壟斷的局面。
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