封面 | 锁模薄片激光器，助力高能超快激光

高功率飞秒激光在太赫兹产生、阿秒脉冲产生和光学频率梳等科研领域和工业领域有着重大应用价值。基于传统块状增益介质的锁模激光器在高功率下受到热透镜效应的限制，目前输出的最大功率在20 W左右。

薄片激光器利用多通泵浦结构，将泵浦光多次反射至厚度为百微米量级的片状增益介质上，以实现高效率的泵浦吸收。极薄的增益介质结合背向冷却技术，大大减小了热透镜效应与非线性效应的影响，可实现更高功率的飞秒脉冲输出。

结合克尔透镜锁模技术的薄片振荡器，是目前获取脉冲宽度为百飞秒量级的高平均功率激光输出的主要手段。

中国科学院大连化学物理研究所李刚研究员团队基于自主研制的72通泵浦模块，设计并搭建了克尔透镜锁模薄片激光器，研制出了国内目前平均功率和单脉冲能量最高的克尔透镜锁模薄片激光器。

研究团队首先基于克尔透镜锁模的原理和ABCD 矩阵的迭代计算，进行了薄片克尔透镜锁模激光器锁模理论分析，模拟了锁模运转与连续运转时谐振腔内模式的变化，确认锁模后硬光阑处的腔内模式半径将减少7%以上。

随后，研究团队以该设计原则为指导，基于团队自主研制的72通泵浦模块（图1），设计并搭建了克尔透镜锁模谐振腔（图2），在72 W泵浦时时获得了平均功率为11.78 W，脉冲宽度为245 fs，单脉冲能量为0.14 μJ的脉冲激光输出。输出脉冲的宽度和腔内模式的变化与模拟分析的结果基本吻合。

图2 实验使用的克尔透镜锁模Yb:YAG薄片激光器谐振腔示意图

为了提高激光器的输出功率，研究团队将聚焦镜的曲率半径增大，对克尔介质厚度和二阶色散量进行微调后，泵浦功率设置为94 W 时，平均输出功率增加到22.33 W，此时的脉冲宽度为394 fs，单脉冲能量为0.28 μJ。

为进一步提升输出功率，研究团队将进一步增大聚焦凹面镜对的曲率半径，同时将谐振腔置于低真空密闭环境中以减小空气扰动和空气色散的影响。

中国科学院大连化学物理研究化学激光研究中心长期从事化学激光研究以及高质强光光学元件等核心关键技术攻关。近年来开始从事薄片激光研究，已初步攻克了泵浦光匀化准直、多冲程泵浦、薄片晶体封装等系列核心关键技术，取得了系列研究进展。包括薄片多通泵浦模块的主动对准技术（Optik，2018），用于薄片增益晶体的多孔泡沫结构冷却排列系统（Optik，2020），以实验室自研的24通薄片泵浦模块为基础搭建了窄脉宽腔倒空调Q薄片激光器（中国激光，2021，48(13):1301002），研制了最新一代的72通薄片泵浦模块以及百 kHz高功率腔倒空薄片纳秒激光器（Optics Express，2022），提出了一种在全泵浦功率范围内使薄片激光器连续输出并保持光束质量接近衍射极限的新方法（Optics Express，2022），基于72通泵浦模块的百fs克尔透镜锁模薄片激光器（中国激光，2023，50(14): 1401006）等。目前，正基于薄片激光放大模块，开展高重频、大能量超短脉冲的放大技术研究。

李刚，研究员，博士生导师，现任中国科学院大连化学物理所化学激光研究中心副主任、化学激光先进精密光学技术研究组组长、国家光子学标准专业委员会元件与材料分会副主任委员、中国光学工程学会理事、中国仪器仪表学会工艺分会常务理事等。主要从事强光光学元件研制、薄片激光、化学激光等研究工作。在国内外公开发表学术论文30余篇，申请和授权专利 20 余项。参与完成的项目曾先后多次获得省部级科技奖励。

编辑 | 沈灵灵