高平均功率的飞秒激光在基础科学研究、精密制造和生物医学等领域扮演着越来越重要的角色。高效率的增益介质和优秀的热管理是获得高平均功率飞秒激光的两个关键要素。

在众多固体增益介质中,掺镱(Yb)激光晶体是获得高平均功率飞秒激光的不二选择。掺Yb激光晶体不仅具有较宽的发射光谱,可支持小于百飞秒的超短脉冲产生,而且其吸收峰在940 nm或980 nm,发射激光中心波长1030 nm,相应的量子效率超过90%,光光效率也很高,产生的废热远低于钛宝石晶体。而在热管理方面,人们在传统体块结构的基础上提出了三种更好的几何结构(碟片、板条和光纤),通过提高表面积和体积比,达到快速散热的目的。

2014年第一期的OPTICA杂志对掺镱高功率飞秒激光及其驱动的二级光源进行了展望,称之为第三代飞秒激光技术,将同时具有高平均功率和高峰值功率的特点[1]。随着激光技术和器件的发展,目前基于碟片、板条以及光纤结构的掺镱激光放大系统都已经获得了千瓦平均功率的飞秒激光输出。

虽然高平均功率飞秒激光放大器对作为种子光的振荡器的功率要求并不高,比如再生放大的种子能量有个1 nJ就够了,但是如果能从振荡器中直接输出高平均功率飞秒激光,对很多应用就会化繁为简,也可以缓解后续放大级的压力,具有很重要的研究意义。

不同类别高功率飞秒振荡器

高功率飞秒振荡器也分为碟片振荡器、光纤振荡器和块材料全固态振荡器三种。其中输出平均功率最高是碟片振荡器,苏黎世联邦理工学院的U. Keller课题组利用SESAM锁模获得了350 W平均功率的亚皮秒脉冲;马克思-普朗克量子光学研究所的Krausz课题组利用克尔透镜锁模技术也获得了平均功率270 W、脉冲宽度330 fs的锁模输出。而光纤激光振荡器能够直接输出的平均功率也已达到了66 W。

相比之下,高功率掺镱块材料全固态飞秒振荡器的发展还比较缓慢,目前最高平均功率只有十几瓦。但块材料全固态激光器具有自己的特色:

首先,块材料全固态激光器具有增益晶体选择的多样性。碟片激光器主要以Yb:YAG为主,虽然也有利用其他增益介质,但是成熟度和可靠性还有待提升,光纤激光器的增益介质为Yb:glass。而块材料全固态激光器的增益晶体的可选择性就比较大,比如用Yb:CaF2、Yb:KGW、Yb:CGA或者Yb:CYA都是有望获得既高功率又短脉冲的锁模输出。

另外,块材料全固态激光器在产生高平均功率高重复频率(GHz)飞秒脉冲方面也具有优势。碟片振荡器较大的激光头限制其重复频率不会太高,目前最高重频只有260 MHz,而光纤振荡器虽然也可以做到GHz重复频率,但是增益介质必然非常短,导致其功率不会很高。因此,高功率、短脉冲和高功率、高重频是块材料全固态飞秒振荡器的两个重要研究方向。

高功率块材料全固态飞秒激光器的两种锁模方式

 

目前高功率掺镱块材料全固态飞秒激光器主要分为两种,一种是基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模,一种是基于克尔透镜锁模(KLM)

1)SESAM锁模激光器

SESAM锁模激光的输出特性,非常依赖于SESAM器件。SESAM由U. Keller发明,并首次在1992年实现了稳定的被动锁模全固态振荡器。1995年,SESAM被成功应用于掺镱全固态锁模振荡器。

到目前为止,尽管U. Keller课题组利用她们做的SESAM可以实现碟片振荡器350 W平均功率输出,但这种高质量SESAM属于独门绝技,大家能买到的SESAM都是德国Batop公司生产,质量参差不齐。西安电子科技大学和中科院物理所合作,利用Yb:KGW晶体获得了平均功率为13 W的SESAM被动锁模飞秒输出,锁模激光的光束质量约为1.1,接近衍射极限,说明热管理方面非常不错,该振荡器的输出功率主要受限于SESAM的质量。而高质量SESAM生长在国内并不成熟,因此必须要发展高功率的纯克尔透镜锁模掺镱全固态振荡器。

2)克尔透镜锁模激光器

克尔透镜锁模技术最早是1991年在钛宝石振荡器中偶然发现。1997年,人们在钛宝石激光器泵浦的Yb:glass激光器中实现了克尔透镜锁模;2001年,首次在LD直接泵浦的Yb:KGW激光器中实现克尔透镜锁模。随后,陆续利用不同的Yb增益晶体实现克尔透镜锁模,输出脉冲宽度最短达到了17 fs,但平均功率均为几十毫瓦到百毫瓦量级。(为了避免混淆,下文将这种平均功率低的克尔透镜锁模掺镱全固态振荡器称为传统的克尔透镜锁模掺镱全固态振荡器。)

传统克尔透镜锁模掺镱全固态振荡器的平均功率较低的主要原因是受限于谐振腔结构和泵浦源。首先根据孤子锁模理论,克尔透镜锁模产生的孤子脉冲的脉冲宽度与腔内的色散、克尔非线性以及脉冲能量有关,如下式所示:

一般为了获得短脉冲宽度,传统克尔透镜锁模谐振腔的激光束腰半径都非常小,导致其难以与高功率多模LD(光束质量M2≈20)泵浦光实现良好的模式匹配,降低了激光效率,甚至会产生高阶模运转。利用单模LD泵浦,可实现较好的模式匹配,但泵浦源功率只有1~2 W。

上式还指出,当同时增加脉冲能量(也即平均功率)时,相应的增大激光光斑模式大小,仍能保持同样的脉冲宽度。但此时则又出现克尔透镜锁模启动难度大的问题。克尔透镜锁模激光器锁模启动的难易程度可以用克尔灵敏度参数δ来表征。其定义为谐振腔内光斑大小ω随功率P的变化程度,表达式如下所示:

根据Cerullo等人的研究,如果δ<-0.5,克尔透镜锁模才可以很容易地启动和维持。对于传统克尔透镜谐振腔,当激光模式束腰半径为50 µm(此时可以和多模LD达到良好的模式匹配),重复频率为80 MHz时,能够获得δ<-0.5的区域非常小,较难实现稳定的克尔透镜锁模。因此,为了获得高功率克尔透镜锁模需要解决小光斑模式匹配和大光斑难以启动的问题

如何获得高功率克尔透镜锁模

 

针对小光斑模式匹配和大光斑难以启动的两个难题,目前已经有三种有效的方案,能够获得瓦级平均功率的克尔透镜锁模[2]

第一种方案:SESAM辅助的克尔透镜锁模

SESAM辅助的克尔透镜锁模又被称为KLAS锁模。SESAM用于启动和稳定锁模,解决了大激光模式下克尔透镜锁模难以稳定的难题。

2011年,日本电气通信大学利用倍半氧化物陶瓷Yb:Lu2O3实现了瓦级平均功率的亚百飞秒KLAS锁模运转。

2013年,加拿大曼尼托巴大学利用Yb:KGW晶体获得了功率和脉冲宽度分别为3 W、67 fs的KLAS锁模输出。

2018年,该单位利用Yb:CGA晶体作为增益介质,实现了亚50 fs的KLAS锁模,其单脉冲峰值功率达到了1.7 MW。

尽管KLAS锁模的掺镱全固态激光器已经实现了数瓦级的亚百飞秒脉冲输出,但是SESAM器件固有的损伤阈值限制了这类激光器输出功率的进一步提升。而且SESAM工艺较为复杂,国内尚不能实现批量国产化,也限制了此类激光器的广泛应用。摆脱SESAM器件,突破高功率纯克尔透镜锁模技术,成为了块材料激光器实现更高平均功率窄脉冲输出的关键。

第二种方案:光纤激光器泵浦的克尔透镜锁模激光器

目前掺镱光纤激光器可以在976~980 nm实现10 W量级的高功率输出,而且具有非常优秀的光束质量和亮度,通过聚焦可以获得小泵浦光斑的同时保持较长的瑞利长度,从而解决小激光束腰半径时的模式匹配问题。

2013年,法国波尔多大学首次报道了光纤激光器泵浦的克尔透镜锁模Yb:CaF2激光器,平均功率为2.3 W。

2014年,该单位又基于Yb:GGA晶体,首次直接获得了瓦级平均功率的亚40 fs超短脉冲输出。

西安电子科技大学与中科院物理所联合团队近年在这方面也取得不错的结果。2018年,基于Yb:YSO晶体,得到了平均功率为2 W、脉冲宽度为95 fs的高功率克尔透镜锁模运转;2019年,利用Yb:CYA作为增益介质,获得了脉冲宽度为36 fs、平均功率为2 W的锁模结果,是目前掺镱全固态亚40 fs激光器输出的最高平均功率;2021年,基于Yb:KGW晶体,得到了重复频率2 GHz、平均功率为1.7 W、脉冲宽度为145 fs的克尔透镜锁模运转,是目前国际上输出功率最高的GHz重频克尔透镜锁模飞秒激光器。

光纤激光器泵浦的掺镱全固态激光器虽然已经实现了瓦级克尔透镜锁模运转,但由于光纤激光器的成本高昂,而且最大泵浦功率比较有限,其平均输出功率目前普遍局限在2~3 W。

第三种方案:利用双共焦腔结构将增益晶体和克尔介质进行分离

利用双共焦腔结构可以将增益晶体和克尔介质分别放在两个共焦位置,从而独立调控增益晶体和克尔介质上的激光模式。一方面使增益晶体处保持较大的激光束腰从而与高功率多模LD的泵浦光实现模式匹配,另一方面同时通过减小克尔介质处的激光束腰大小获得足够的克尔灵敏度,使克尔透镜锁模的启动和稳定更为容易。

西安电子科技大学与中科院物理所联合团队2018年利用Yb:CYA晶体首次在国内实现双共焦谐振腔的克尔透镜锁模运转,获得了平均功率为1.5 W、脉冲宽度为68 fs的激光输出。2019年又利用Yb:CYA晶体实现了平均功率大于5 W的飞秒脉冲输出,对应的脉冲宽度为59 fs、峰值功率为1.85 MW,这也是当时国际上直接输出峰值功率最高的亚百飞秒掺镱激光器。2021年得到了平均功率为10.4 W、脉冲宽度为98 fs的克尔透镜锁模稳定运转,是国际上首次报道的10 W量级亚百飞秒克尔透镜锁模掺镱块材料全固态飞秒激光器。

 

高功率块材料全固态飞秒激光器展望

 

与碟片、板条以及光纤结构的掺镱增益介质相比,块材料介质结构简单,便于生长加工,价格便宜,而且可选的种类多种多样(晶体、陶瓷、玻璃以及不同的基底材料),因此在飞秒激光器应用中具有很大的灵活性。

图1 高功率克尔透镜锁模Yb全固态激光器总结[2]

如图1所示,基于多种掺镱块材料增益介质,人们采用克尔透镜锁模技术已经成功实现了直接输出瓦级平均功率、亚百飞秒脉冲宽度的飞秒振荡器,最高平均功率达到10 W,单脉冲能量在百纳焦量级。其中,基于双共焦腔结构的克尔透镜锁模技术一方面可以充分利用高功率LD直接泵浦,另一方面可以通过灵活调控自相位调制获得宽光谱输出(光谱带宽可以超过晶体的发射带宽),理论上输出功率仅受限于块材料激光器的热管理能力,因此在高功率、窄脉冲输出方面仍有极大的潜力。

采用复杂的热管理方式,如TEC制冷或者液氮低温制冷,可大幅度提高块材料增益介质可承受的泵浦功率,从而使直接输出平均功率大于100 W克尔透镜锁模激光也成为可能。目前已经报道了基于低温制冷的全固态掺镱块材料500 W连续光输出结果为此提供了参考。

另外,减小振荡器的腔长获得高功率、高重频(GHz以上)亚百飞秒激光脉冲对光学频率梳应用具有极大的吸引力,也是目前高功率掺镱全固态飞秒激光器的一个重要发展方向。

目前LD泵浦的GHz重频克尔透镜锁模激光器的输出功率仍只有百毫瓦量级,西安电子科技大学与中科院物理所联合团队最近利用双共焦腔结构,实现了重复频率1 GHz、平均功率达到3 W的克尔透镜锁模输出,初步验证了该方案在高重频、高功率方面的可行性和获得更高平均功率的潜力。相信大力发展高平均功率、短脉冲宽度和高平均功率、高重复频率的克尔透镜锁模全固态振荡器,将在激光加工、非线性频率变换、光学频率梳以及进一步功率放大等方面发挥重要作用。

 

参考文献

[1] FATTAHI H, BARROS H G, GORJAN M, et al. Third-generation femtosecond technology[J]. Optica, 2014, 1(1): 45-63.

[2] 田文龙,徐瑞,朱江峰,等. 高功率克尔透镜锁模掺镱全固态激光器研究进展(特邀)[J].光子学报,2021,50(8):0850207 DOI:10.3788/gzxb20215008.0850207.

 

作者简介

田文龙,副教授,2016年获工学博士。主要研究方向包括高功率、大能量飞秒激光产生技术,宽调谐非线性频率变换以及太赫兹脉冲产生技术等。

朱江峰,教授,2008年获理学博士。主要研究方向为超快超强激光技术与应用。 

魏志义,教授,1991年获理学博士。长期致力于超短脉冲激光技术方面研究,做出了多项国际上有影响的成果。

 

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