研究背景

高功率飛秒激光在太赫茲產生、阿秒脈沖產生和光學頻率梳等科研領域和工業領域有著重大應用價值。基于傳統塊狀增益介質的鎖模激光器在高功率下受到熱透鏡效應的限制，目前輸出的最大功率在20 W左右。

薄片激光器利用多通泵浦結構，將泵浦光多次反射至厚度為百微米量級的片狀增益介質上，以實現高效率的泵浦吸收。極薄的增益介質結合背向冷卻技術，大大減小了熱透鏡效應與非線性效應的影響，可實現更高功率的飛秒脈沖輸出。

結合克爾透鏡鎖模技術的薄片振蕩器，是目前獲取脈沖寬度為百飛秒量級的高平均功率激光輸出的主要手段。

創新工作

中國科學院大連化學物理研究所李剛研究員團隊基于自主研制的72通泵浦模塊，設計并搭建了克爾透鏡鎖模薄片激光器，研制出了國內目前平均功率和單脈沖能量最高的克爾透鏡鎖模薄片激光器。

研究團隊首先基于克爾透鏡鎖模的原理和ABCD 矩陣的迭代計算，進行了薄片克爾透鏡鎖模激光器鎖模理論分析，模擬了鎖模運轉與連續運轉時諧振腔內模式的變化，確認鎖模后硬光闌處的腔內模式半徑將減少7%以上。

隨后，研究團隊以該設計原則為指導，基于團隊自主研制的72通泵浦模塊（圖1），設計并搭建了克爾透鏡鎖模諧振腔（圖2），在72 W泵浦時時獲得了平均功率為11.78 W，脈沖寬度為245 fs，單脈沖能量為0.14 μJ的脈沖激光輸出。輸出脈沖的寬度和腔內模式的變化與模擬分析的結果基本吻合。

圖2 實驗使用的克爾透鏡鎖模Yb:YAG薄片激光器諧振腔示意圖

為了提高激光器的輸出功率，研究團隊將聚焦鏡的曲率半徑增大，對克爾介質厚度和二階色散量進行微調后，泵浦功率設置為94 W 時，平均輸出功率增加到22.33 W，此時的脈沖寬度為394 fs，單脈沖能量為0.28 μJ。

工作展望

為進一步提升輸出功率，研究團隊將進一步增大聚焦凹面鏡對的曲率半徑，同時將諧振腔置于低真空密閉環境中以減小空氣擾動和空氣色散的影響。

參考文獻： 中國光學期刊網

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