中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院物理研究所合作，在基于Multi-Pass Cell (MPC)的高功率超快激光非線性壓縮方面取得研究進(jìn)展。相關(guān)成果以“Generation of 56.5 W femtosecond laser radiation by the combination of an Nd-doped picosecond amplifier and multi-pass-cell device”為題發(fā)表于Optics Express。
高功率飛秒激光在科研和精密加工等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。通常來(lái)說(shuō)，激光增益介質(zhì)的受激發(fā)射截面與上能級(jí)壽命和發(fā)射帶寬的乘積成反比，因此長(zhǎng)壽命和寬帶寬的激光增益介質(zhì)發(fā)射截面相對(duì)較小、激光放大效率較低，反之亦然。例如，摻鐿(Yb)激光晶體熒光壽命較長(zhǎng)，放大效率普遍很低。光纖材料由于過(guò)小的模場(chǎng)面積難以支撐高的脈沖能量和峰值功率。鈦寶石具有超過(guò)500 nm的發(fā)射帶寬和優(yōu)良的機(jī)械性能，是產(chǎn)生飛秒激光的優(yōu)秀增益介質(zhì)，但是由于其吸收波段的問(wèn)題，導(dǎo)致其量子虧損較大以及無(wú)法使用高功率LD直接泵浦。同時(shí)獲得高功率飛秒激光脈沖通常采用啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)，這極大地增加了高功率飛秒激光的成本、技術(shù)復(fù)雜性和使用門(mén)檻。因此，國(guó)際上高功率皮秒激光的成熟度大幅領(lǐng)先于飛秒激光。
針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員利用非線性后壓縮的方式實(shí)現(xiàn)了高功率激光脈寬從皮秒到飛秒的跨越。研究人員先利用窄帶的、大發(fā)射截面的激光介質(zhì)（Nd:YVO4）實(shí)現(xiàn)皮秒激光高效直接放大（無(wú)需采用CPA技術(shù)），進(jìn)一步采用MPC非線性后壓縮的手段實(shí)現(xiàn)從“皮秒”到“飛秒”的轉(zhuǎn)化。通過(guò)合理設(shè)計(jì)MPC參數(shù)，采用單級(jí)MPC裝置將皮秒激光的脈寬從9.13 ps壓縮至477 fs，系統(tǒng)總效率達(dá)73.4%，最終輸出飛秒激光功率達(dá)到了56.5W，方案具有高效率、高穩(wěn)定、高光束質(zhì)量和定標(biāo)放大的能力，為高功率飛秒激光的產(chǎn)生提供了全新的可行性技術(shù)路徑。
相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市啟明星計(jì)劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖
圖2 光譜展寬和脈沖壓縮結(jié)果(653 fs為自相關(guān)曲線寬度，乘以反卷積因子0.73為實(shí)際脈沖寬度)
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