相干合成超快光纤激光产生毫焦级能量的高功率飞秒脉冲

　　高能量、高平均功率的飞秒激光由于在阿秒高次谐波产生、精密加工制造、生物医疗及国防等领域的广泛应用需求，是近十多年来超快超强激光技术研究的前沿热点内容，特别是光纤激光由于稳定可靠的运行特性、皮实紧凑的结构、优良的光束质量、较低的成本等优势，倍受人们的重视，也是广受欢迎的激光产品，所能输出的平均功率可达百瓦量级。但由于受限于光纤中有害的非线性效应，单路光纤产生的单脉冲能量在保证时域脉冲质量和光束质量的情况下，难以突破毫焦的瓶颈，限制了对激光强度有要求的许多重要应用。

　　使用相干合成技术，通过将多路放大后的飞秒脉冲合在一起，是获得高平均功率、毫焦量级飞秒脉冲的可行方案。相干合成分主动相干合成和被动相干合成两种，主动相干合成的功率和能量可随着合成路数的增加而不断提升，但是需要复杂和昂贵的电控锁定系统；而被动合成无需电控相位稳定器件，装置较为简单，但受合成路数的限制，合成平均功率及单脉冲能量低。

　　针对上述问题和难点，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组在多年高功率超快光纤激光研究的基础上，提出光纤中静态模式退化（Static Mode Degradation, SMD）是限制被动相干合成方案平均功率的关键瓶颈，据此发明了一种能有效抑制SMD的双向隔离器，继在2021 年实现 100W 平均功率的基础上（Opt. Lett. 46, 3115 (2021)），最近基于被动合成掺镱超快光纤激光系统，不仅进一步获得了最高平均功率可达200 W的结果，而且在100 kHz的重复频率下，单脉冲能量达到1.07 mJ，系统合成效率超过了85%。相关结果发表于最近一期的美国光学学会期刊Journal of the Optical Society of America B上，论文第一作者为常国庆特聘研究员指导的博士生史卓。

　　实验装置如图1所示，由前端提供的能量为0.80μJ、重复频率在100kHz至1MHz之间可调的偏振激光脉冲经展宽及 PBS1反射、PBS2 透射后，由 PBS3 及 PBS4 组成的时间分脉冲装置一分为二，分束为两个间隔约2ns的小脉冲，进一步通过PBS5分为四个脉冲进入Sagnac环路放大。其中两个脉冲沿顺时针方向传输，另外两个沿逆时针方向传输，并在进入棒状光纤之前采用四分之一波片（QWP1 及 QWP2）变为圆偏振。两根增益光纤之间插入了一块偏振分束器PBS6对脉冲进行偏振过滤，两个方向的光传输一圈后在PBS5汇合，两两进行空间合成，部分退偏光从合成处漏出，构成退偏端口；大部分光原路返回，在时间分脉冲装置处通过时域重合成为一个脉冲，部分未合成的光从未合成端口输出，合成光从合成端口输出。实验结果表明在150kHz的重复频率下，合成端口的平均功率达160W。当将重复频率降低为100kHz时，脉冲压缩后的单脉冲能量为1.07 mJ，放大过程中未观察到明显的SMD现象，图2所示为该能量下的主要测量结果。显示脉宽为 240fs，光谱宽度为8.7nm，3小时内对应的RMS小于0.5%，光束质量M 2因子为1.11×1.27，纵向上的光束畸变主要来自光栅对。

　　图2. 单脉冲1.07 mJ时的（a）自相关曲线，（b）光谱分布，（c）功率稳定性和（d）光束质量结果

　　相比于以往基于单路放大或主动合成的高功率掺镱光纤飞秒激光光源，本研究使用简单结构的被动合成方式，获得了大于 1mJ 的结果，突破了常规飞秒光纤激光单脉冲能量的瓶颈，并具有高达200W的平均功率输出能力优良的光束质量和稳定性，可望在高重复频率阿秒高次谐波的产生、特殊材料的精密加工切割、半导体芯片缺陷检测及生物医学成像等方面发挥重要作用。这一进展相关的装置及核心器件已申请国家发明专利。

　　该工作得到了国家重点研发计划（批准号：No. 2021YFB3602602）、国家自然科学基金（批准号：No. 62175255和62227822）和中国科学院重要仪器研制项目的支持。常国庆特聘研究员为通讯作者，博士生王井上、张瑶及魏志义研究员、西安电子科技大学王军利教授也参与了该工作的设计和讨论。