华东师范大学曾和平教授和上海理工大学郝强副教授带领的研究团队成功研制了参数为1.56μm/ 60nJ/ 100fs/ 10MHz的高稳定性、可靠耐用的超快激光光源。

“2019中国光学十大进展”候选推荐

1.56μm波段飞秒脉冲激光在激光通信、医疗诊断、微纳加工、精密测量等领域具有广泛的应用价值。特别是，通过光学倍频技术，1.56μm倍频激光器可工作钛宝石激光器的输出波段，致其应用场景进一步拓展。

当前，钛宝石振荡器和放大器产品发展成熟，在极短脉冲(<20fs)和超大能量(>1mJ)方面具有显著的指标性优势。相较于钛宝石激光器，掺铒光纤飞秒激光器产品在50-100fs脉冲宽度和<10nJ单脉冲能量方面具有显著的性价比优势。进一步综合光纤激光器的高效率、免维护、环境适应性强等优势，掺铒光纤飞秒激光器已成为钛宝石激光器的理想替代光源。据了解，输出功率在百毫瓦量级的780/1560nm飞秒激光器国内每年有约300台的市场容量，且科研市场逐年增长。

限制1.56μm波段飞秒脉冲功率提升和脉冲压缩的关键技术问题是非线性和色散管理。通常，啁啾脉冲放大技术(chirped-pulse amplification, CPA)是克服非线性效应的一种主要手段，该技术在800nm钛宝石激光器和1.03μm掺镱光纤激光器中应用广泛。然而，由于光栅压缩器的衍射效率、结构复杂、高阶色散等问题，CPA技术在1.56μm波段的发展并不顺利。

此外，考虑到通过增加腔内光纤长度较容易降低脉冲重复频率，即可利用啁啾脉冲振荡(chirped-pulse oscillation, CPO)技术直接从振荡器产生高能量超短脉冲。图1中的蓝色和橙色虚线分别描述了利用CPA和CPO技术获取到的脉宽和能量趋势曲线。近年，分离脉冲放大(divided-pulse amplification, DPA)或称为相干脉冲合成(coherent beam combination, CBC)技术已逐渐成为1.03μm波段产生千瓦平均功率超短脉冲的主要手段。该技术基于偏振分束将种子光进行能量分配，分别注入多个放大器中进行能量提升，可按比例降低放大器中脉冲的峰值功率，进而有效管理放大脉冲非线性效应。

图 1.56μm波段超短脉冲产生和放大的结果比较。其中，实心图标为保偏结构激光器，空心图标为非保偏结构激光器。蓝色和橙色虚线分别为CPA和CPO技术的趋势曲线。

与工作在1.03μm波段光纤正常色散区不同的是，1.56μm波段脉冲工作在光纤的负色散区，可在光纤中实现功率放大、光谱展宽、脉冲压缩的同时进行(即脉冲非线性放大压缩)，避免使用空间结构的脉冲压缩器，极大简化了光纤飞秒激光器的结构，显著改善了激光器稳定性。

研究团队深入研究了光纤负色散区的分离脉冲放大技术。通过管理光纤预放大器和主放大的净色散和增益，基于×16脉冲分离获得了最高平均功率1.6W、脉冲宽度120fs的脉冲输出，基于×64脉冲分离获得了最高单脉冲能量60nJ、脉冲宽度95fs的脉冲输出，突破了CPO和CPA技术趋势曲线。相关研究成果以“60 nJ, 95 fs environmentally stable Er-doped fiber laser system”为题发表于Chinese Optics Letters 17，061401 (2019)上。