室溫大氣環(huán)境下運轉的高功率大能量2微米超短脈沖再生放大器示意圖

近日，暨南大學物理與光電工程學院(理工學院)陳振強、李真團隊在2微米超短脈沖再生放大領域取得重要進展。團隊報道了一種室溫大氣環(huán)境下運行的高功率大能量摻銩飛秒再生放大器，其平均功率、脈沖能量與峰值功率均突破現(xiàn)有紀錄，并且為產(chǎn)生高功率大能量2微米飛秒脈沖激光提供了一種簡單、高效且低成本的技術方案。研究成果以“Ambient-Air, Room-Temperature High-Energy Thulium-Doped Regenerative Amplifier”為題發(fā)表在光學領域國際頂級學術期刊Laser&Photonics Reviews。論文第一作者是代世波教授和何佳佚碩士，通訊作者是代世波教授和陳振強研究員。

高功率大能量2微米飛秒脈沖激光在大氣傳感、材料加工、強場物理等領域具有重要應用價值。再生放大器具有增益高、光束質(zhì)量好、結構緊湊等諸多優(yōu)點，在產(chǎn)生大能量2微米超短脈沖激光方面具有顯著優(yōu)勢。摻鈥再生放大器雖然可以實現(xiàn)高功率、大能量、高效率的2微米超短脈沖激光輸出，但是脈沖寬度通常被限制在皮秒量級。相比之下，摻銩增益介質(zhì)(特別是Tm:YAP)具有較寬且平坦的發(fā)射譜，本質(zhì)上有利于產(chǎn)生短脈寬的2微米飛秒脈沖激光。

當前，摻銩再生放大器可以直接產(chǎn)生2微米飛秒脈沖激光，但是輸出波長(~1.94μm)通常位于大氣水分子強吸收帶，需要工作在真空或充氮環(huán)境下才能實現(xiàn)高能量輸出，因此嚴重限制了該系統(tǒng)的實用性、穩(wěn)定性以及應用前景。針對上述難題，團隊首次將a-cut Tm:YAP晶體用于超短脈沖再生放大，巧妙利用其弱水氣吸收發(fā)射峰(~1.99μm，E∥b)，同時開發(fā)了中心波長與之相匹配的摻銩光纖鎖模激光器及放大器，突破了傳統(tǒng)大能量摻銩再生放大器需要工作在真空或充氮環(huán)境的限制。

進一步，基于改進的Frantz-Nodvik方程，通過降低晶體摻雜濃度、布儒斯特角切割、提高種子光能量、優(yōu)化種子光往返次數(shù)和諧振腔結構等多種措施，有效解決了高功率熱管理、激光損傷、光譜窄化、高重頻倍周期分叉等關鍵問題，僅在室溫大氣環(huán)境下就獲得了脈沖能量為2.6mJ、重復頻率為1kHz、脈沖寬度為431fs、峰值功率為4.8GW的2微米飛秒脈沖激光輸出，這是目前摻銩再生放大器獲得的最高脈沖能量和峰值功率。

該研究得到國家自然科學基金重點項目和面上項目、中國科協(xié)青年人才托舉工程等項目的資助。感謝密爾光子科技有限公司和中國科學院福建物質(zhì)結構研究所提供的支持和幫助。

審核編輯 黃宇