近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队基于Yb:YAG碟片激光技术和啁啾脉冲放大（CPA）技术，通过近乎无损的脉冲后压缩，实现了兼具高平均功率、高重复频率和窄脉冲宽度的54W/200kHz/195fs激光脉冲输出。相关成果以“An efficient high-power femtosecond laser based on periodic-layered-Kerr media nonlinear compression and a Yb:YAG regenerative amplifier” 为题发表在High Power Laser Science and Engineering上。
钛宝石激光器自诞生以来一直是超快激光领域的主力军，受益于其增益带宽优势，钛宝石激光系统很容易达到小于100飞秒的脉冲宽度，基于CPA技术的钛宝石激光系统已经可以实现峰值功率高达10PW的超强超短激光脉冲输出，但是，其平均功率和重复频率目前被限制在数十瓦和千赫兹（kHz）的水平；相反，基于掺镱（Ytterbium, Yb）光纤和固体材料的飞秒激光器以半导体激光器为泵浦源，可支持千瓦量级的平均功率和百千赫兹输出，在一些新兴的工业加工、科研和医药等领域被广泛应用。由于其增益带宽的制约，在高功率下输出的激光脉冲宽度成为影响其应用范畴的主要因素，因此，如何将掺镱（Yb）激光系统输出的脉冲简单高效地压缩至更窄的宽度成为研究热点之一。
研究人员基于CPA技术，采用基于Yb:YAG碟片的高重频再生放大器，实现压缩后56W/530fs/200kHz的激光脉冲输出，再经过周期性排列的白宝石固体薄片组进行非线性光谱展宽，利用啁啾镜将脉冲宽度压缩到195fs，整个压缩装置的功率转换效率高达96%。“周期性”排列的固体薄片充分展示了其优势：由于相邻薄片之间距离相等，可以将每一层固体薄片和其后的一段自由空间看作非线性谐振腔的一个单元，激光束经过多个单元的传输可以看作非线性谐振腔中的多次往返，其中的固体薄片则被看作与光强相关的非球面镜，因而光束经多个单元的传输特性符合菲涅尔-基尔霍夫衍射积分理论。本工作是PLKM概念与碟片再生放大器相结合的成功验证：对于单脉冲能量200μJ以上的注入脉冲，这是利用固体薄片组方案获得的最高输出功率。此外，其最终输出光束质量因子（M2）维持在1.4以内，光谱空间均匀性优异。
该飞秒激光系统可用于新兴的工业加工领域及时间分辨光谱测量。正在进行的第二级压缩有望实现50fs以下的脉冲输出，将进一步提升峰值功率，支持更多高重频窄脉宽激光的应用场景。
图1 飞秒激光系统结构图：（a）①前端种子源；②模式匹配光路；③碟片再生放大器主体；④透射光栅压缩器；⑤后压缩级（包括周期性排列的白宝石固体薄片组和啁啾镜组）；（b）周期性排列的白宝石固体薄片组详图
图2 整个飞秒激光系统最终输出脉冲的（a）自相关特性曲线和（b）光束质量因子测量结果
