基于非线性压缩的工业级超短超强飞秒激光器新进展

高峰值功率和短脉宽的组合实现了激光与物质作用在最小化热效应的同时产生极强的局部电场强度，为物质有效电离和剥脱创造基本物理条件。在极端物理研究领域如阿妙光源、激光核聚变，以及材料科学、分析化学等需要极短时间的物质光致激发应用方面，这种超短、瞬时超强的激光束成为先进的研究工具。

非线性光谱展宽技术

在飞秒激光技术的发展中，以800nm波长钛宝石飞秒激光系统为代表，为极端物理研究提供了少周期毫焦脉冲；但钛宝石激光器的平均功率难以提升，而以掺镱离子晶体为增益介质的飞秒光源，其平均功率和单脉冲能量可以达到数百瓦、数毫焦，可是受限于镱离子的能级特征，其发射谱宽度无法支持数十飞秒的脉冲。

非线性光谱展宽技术的发展为扩展脉冲的光谱宽度，二次色散补偿获得少周期超短脉冲提供了途径，主要手段包括采用空芯波导光纤、充特种气体密封管、固体非线性介质作为光学非线性效应产生的载体，注入超短脉冲在这些器件中激发出自相位调制效应，从而扩展脉冲的光谱宽度。空芯波导光纤、充特种气体密封管在实际使用中，存在着光束耦合难度大、精度要求高、端面损伤阈值低、受环境因素影响敏感等弊端；采用固体非线性介质的多通腔光谱非线性展宽方法耐受激光功率高，但腔型布局对光束质量影响显著，且多通腔体积大、三维空间光路调试复杂。

出于技术服务应用的观念，超快激光行业将非线性光谱展宽技术用于极窄飞秒脉冲的压缩，须采用一种成本和光机结构相对友好的技术路线。通过巧妙利用超短脉冲激光在物质中的自聚焦效应，以多个固体非线性介质间隔排列的方式，组合出一组自相位调制激发装置，实现在较短的空间范围内，以主动聚焦、自聚焦方式管理飞秒光束的非线性相移，实现对脉冲光谱的展宽。该方法已多次在学术刊物上报道，被证明是行之有效的获得固体介质中展宽光谱的一种相对简洁的技术路线。

奥创光子FS-1030-120

奥创光子新推出的工业化120W/1.2mJ飞秒激光器FS-1030-120，通过多级掺镱固体放大器提供高增益，同时优化放大过程的热管理，使之兼具高平均功率、大能量的特点，其直接输出的脉冲峰值功率已达1.4GW，且具有良好的光束质量。激光束优良的光强和空间特性是确保后继非线性光谱展宽和时域二次压缩的前提。通过外置非线性压缩腔的增强型FS-1030-120-EXshort，是在普通型激光头输出面板外挂非线性压缩腔，而无须改变激光器原有的光机机构和控制方式，但具备了输出80W/600uJ/125fs超短超强飞秒脉冲的能力，其峰值功率提升至4.8GW。

图1. FS-1030-120-EXshort型激光器外观照片

EXshort式非线性压缩腔为独立的光谱展宽、色散补偿一体化模块，外形尺寸410mm×150mm×88mm，内置了多组不同组分的非线性玻璃平板，每一块平板在聚焦高斯光束的作用下发挥出自相位引起的光谱展宽，而不同位置玻璃板的彼此间距也通过严格的模拟仿真计算和光斑形貌实测来确定，以确保每一块玻璃板中激发出自相位调制效应却远离多光子吸收和光损伤阈值；每一块玻璃板的厚度精心选取，平衡自相位调制光学条件和自聚焦长度，保持足够的非线性光谱展宽并保持介质内有一定的自聚焦效果，从而支持多组玻璃板之间的高斯光束自再现变换与传播。

图2. FS-1030-120型激光器加装

EXshort模块前后的激光光谱

EXshort的设计输出脉宽为100~150fs，因而其内置用于非线性光谱展宽的玻璃板总厚度有限，所需的额外色散补偿器件（啁啾镜组）占用空间就很小，这确保了模块整体的紧凑结构。EXshort模块的设计、装调过程解决了自聚焦引起的飞秒光束空间分布非均匀和频域光谱分布非均匀的难题，克服了啁啾镜尺寸受限的影响，具备适中的脉冲非线性压缩比和高光束质量，成为拓展各类高能掺镱晶体（尤其是常用的Yb:YAG）飞秒激光放大器峰值强度，进入极窄超短脉冲应用领域的利器。

图3. FS-1030-120型激光器加装

EXshort模块前后的输出飞秒脉冲自相关曲线

转载请注明出处。