挑战全固态飞秒激光振荡器输出功率极限

该成果将飞秒锁模激光振荡器的输出功率、脉冲能量和峰值功率提高到了一个新的高度，在超快非线性光学、太赫兹光谱、表面等离激元、多光子显微成像等领域有重要的应用价值。

（a）锁模光谱（b）脉冲宽度

（a）光谱稳定性（b）功率稳定性

在超短脉冲技术发展历史上，第一代飞秒激光以染料激光为代表，20世纪80年代中期，碰撞脉冲锁模染料激光器的脉宽达到了27 fs，输出功率仅为数十毫瓦。虽然染料溶液处理和维护不方便，重复性较差，运行也不稳定，但是由于当时没有其它合适的激光材料，染料激光器一直是当时研究超快现象的主要工具。

20世纪90年代以来，飞秒激光器的发展出现了革命性突破——掺钛蓝宝石激光技术。钛宝石的荧光谱带宽约为400 nm，理论上支持2.7 fs的极限脉冲宽度，而且钛宝石晶体具有优良的物理化学和光学性质。结合克尔透镜锁模和宽带色散管理，人们可以很方便地实现瓦级飞秒激光，甚至周期量级脉冲宽度。钛宝石飞秒激光被称为第二代飞秒激光技术，一度被称为超快激光的“workhorse”，极大地推广了飞秒激光的应用领域，促进了超快激光和超快科学的发展。但是钛宝石激光需要昂贵的532 nm激光泵浦，且由于量子亏损较大、上能级寿命短，直接从钛宝石振荡器中输出高平均功率飞秒激光非常困难。目前商用的钛宝石振荡器最高平均功率约4 W，而18 W的532 nm绿光泵浦源价格不菲，让绝大多数科研用户望而止步。

利用激光二极管直接泵浦的Yb掺杂固体激光是实现更高输出功率飞秒激光的新一代技术。西安电子科技大学超快激光技术与应用研究中心长期致力于开发高功率窄脉冲飞秒激光技术。

早在2015年，西电团队与中国科学院物理研究所和江苏师范大学合作首次利用Yb:CALYO晶体实现了脉冲宽度短至33 fs的克尔透镜锁模飞秒激光输出，为当时Yb振荡器能够直接输出的最短脉冲之一（Photon. Res. 3, 335 (2015)）。2018年，提出增益晶体与克尔介质分离的双共焦谐振腔方案，获得了平均功率1.5 W、脉冲宽度为68 fs的激光输出（Photon. Res.  6, 127 (2018)）。2021年将锁模平均功率提升到10.4 W、脉冲宽度为98 fs，是国际上首次报道的10 W级亚百飞秒克尔透镜锁模掺镱块材料全固态飞秒激光器（Opt. Lett. 46, 1297 (2021) ）。

通过优化热管理技术，去除高功率泵浦下的热应力和提高热传导效率，结合优秀的色散管理技术和克尔透镜锁模技术，近期更是把锁模平均功率提高到了27.2 W。与目前国际上报导的低功率亚百飞秒全固态Yb激光振荡器相比，输出功率提高了两个数量级。与钛宝石激光器相比，输出功率提高一个数量级，且得益于泵浦源为廉价的激光二极管，系统成本大大降低。即便是Yb薄片振荡器能输出百瓦级飞秒激光，全固态飞秒锁模方案在兼顾高功率、窄脉宽的前提下，仍然具有非常大的技术简洁优势和价格优势。

进一步优化晶体热管理，或者采用双晶体结构，预计利用块材料Yb晶体即可实现平均功率大于50 W、脉冲宽度小于200 fs的克尔透镜锁模激光，再结合多通行波放大，可将平均功率提升至100 W。该参数飞秒激光在高功率飞秒光学参量振荡器、高功率太赫兹波产生和MHz固体高次谐波产生等前沿科研中将发挥独特、不可替代的作用。

西电超快激光技术与应用研究中心可提供各类激光参数的全固态飞秒激光振荡器，欢迎有应用需求的老师或单位咨询。

全固态飞秒激光振荡器技术参数