亚百飞秒高功率掺镱再生放大器及中红外输出

四川大学电子信息学院中红外超快激光课题组梁厚昆教授带领团队采用宽带振荡器，宽带晶体Yb:CALGO（Yb:CaAlGdO₄，掺镒铝酸钆钙激光晶体），结合调控种子脉冲光谱形状等方法，抑制了再生放大过程中的增益窄化现象，实现了12.5 W，95 fs超短脉冲输出。研究人员认为这是国际上首次在不使用非线性压缩方法下，掺镱晶体再生放大器实现亚百飞秒激光输出，相关成果发表在 Photonics Research 上。

通过级联脉冲非线性压缩，研究人员进一步将脉冲压缩到50 fs，同时峰值功率达到了3.7 GW。利用该装置作为泵浦源，选择合适的相位匹配条件成功在LGS（La₃Ga₅SiO₁₄，硅酸镓镧）晶体中实现了脉冲内差频，光谱调节范围为7 µm到11.5 µm。作者认为该研究是首个通过较多周期脉冲（>10个光学周期）实现脉冲内差频的工作。

实验装置包含掺镱晶体再生放大器模块，级联非线性压缩模块，脉冲内差频模块三部分。再生放大器中，种子源为特殊定制的宽带光纤振荡器，光谱的半高全宽可达40 nm。放大器中的Yb:CALGO晶体具有极宽的发射带宽（80 nm）和良好的热性能，为高功率超短脉冲的输出提供了保障。然而，由于其增益较小，通常需要在再生放大器中放大上百趟，该过程中会产生增益窄化现象，为了抑制增益窄化，可通过设计滤光片来调控种子光谱的形状。

 上图给出了对种子光谱形状调控以及对输出光谱带宽的影响，左图蓝色虚线为滤光片的单趟响应曲线，红色和黑色实线分别为整形前后的种子光谱，若没有进行光谱整形，放大后的光谱对应右图红色曲线，此时的光谱半高全宽仅为9 nm。由图可知光谱整形后，输出带宽从9 nm提升至18 nm，对应的变换极限脉冲从180 fs缩小到86 fs，通过仔细调控种子光谱的形状，极大地抑制了再生放大器中的增益窄化现象，为亚百飞秒脉冲产生创造了合适的条件。

经过光栅压缩器调整，脉冲宽度为95 fs，平均功率达12.5 W。为进一步提升峰值功率，研究人员使用级联非线性压缩方法将扩束到2.5 mm的光束打入长20 mm的BBO晶体，使激光由于相位失配在基频光和倍频光间不断循环，循环过程中会产生类卡尔效应，使光谱发生展宽。该实验中，BBO晶体内产生的色散量约为-1500 fs²，研究人员使用两块厚度为9 mm并摆成布鲁斯特角的蓝宝石晶体来补偿色散，成功将脉冲压缩到50 fs，将峰值功率提高到了3.7 GW。该方法避免了使用昂贵的啁啾镜，是一种简单经济的压缩方式。

最后，研究人员利用再生放大系统通过脉冲内差频将激光频率拓展到中红外，实验原理图如图1（c）。本次实验中使用LGS非线性晶体，主要是因为其高损伤阈值以及宽能带，可以用1 µm超快激光作为泵浦源。

国际上产生脉冲内差频通常需要脉冲宽度小于10个光学周期，而该研究中 50 fs脉冲对应18个光学周期，这意味着光谱宽度并不支持中红外光的产生。研究人员巧妙使用长8 mm的LGS晶体，通过在晶体中产生自相位调制展宽光谱，并设计合适的相位匹配条件抑制走离现象的出现，最终首次实现了长周期脉冲的脉冲内差频。

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