上海光机所：高效薄片组后压缩技术助力短脉冲百瓦级超快激光实现

摘要：高功率超快激光器受到当前科学研究以及工业生产等领域的广泛关注，以其高峰值功率驱动诸多强场物理和超快光学应用，高平均功率满足应用中对于高光子通量和信噪比的要求。基于掺镱介质的啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification, CPA）激光系统

高功率超快激光器受到当前科学研究以及工业生产等领域的广泛关注，以其高峰值功率驱动诸多强场物理和超快光学应用，高平均功率满足应用中对于高光子通量和信噪比的要求。基于掺镱介质的啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification, CPA）激光系统得益于高量子效率和斯托克斯效率，以及最先进的光纤、碟片和 Innoslab 等激光器结构出色的热处理效果，目前已经可以实现数百瓦乃至千瓦量级高平均功率输出。

其中，光纤激光器芯径较小难以获得高脉冲能量，但是其结构紧凑且光束质量优异，适合作为激光系统的前端使用，尤其是可以将啁啾光纤布拉格光栅（chirped fiber Bragg grating, CFBG）作为展宽器直接集成，比普通光栅展宽器更加简单、紧凑、稳定。Innoslab放大器具有结构紧凑、单通增益系数高等优点，是目前全固态激光器中获取高平均功率激光输出最常用的技术手段之一。因此基于光纤前端的Innoslab放大器是实现高平均功率激光系统的一种常见方式。但是，其也有相应的缺点有待解决：其一，掺镱介质较窄的增益带宽限制了100 fs以下超短脉冲的产生；其二，由于光栅压缩器难以完全补偿来自于光纤前端的高阶色散，往往会导致压缩脉冲存在明显的底座，从而使得实际输出的峰值功率降低；其三，Innoslab放大器由于其独特的放大和泵浦结构设计，输出光束是椭圆形的且伴有空间光束的轻微畸变，即使经过光束整形和空间滤波，有时仍难以获得十分理想的光束模式，这些时空特性对于许多工业加工、物理实验等高功率激光应用不利。

上海光机所强场激光物理国家重点实验室的研究团队通过一种经济、高效的薄片组后压缩方案，很好地弥补了光纤前端作为种子源的Innoslab激光系统的不足。不仅以94%的高传输效率实现了8倍的脉冲压缩，还同时改善了脉冲质量与光束模式，最终实现了96 W、175 kHz、64 fs的高功率短脉冲超快激光输出，并且具有较好的光束质量M2~1.5和光谱空间均匀性。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第4期的文章(Zichen Gao, Jie Guo, Yongxi Gao, Yuguang Huang, Zhihua Tu, Xiaoyan Liang, "Efficient dual-stage all-solid-state post-compression for 100 W level ultrafast lasers," High Power Laser Sci. Eng. 12, 04000e45 (2024))。

图1 基于薄片组后压缩的高功率超快激光系统示意图

如图1所示，这一后压缩方案通过两级周期性排列的熔融石英薄片组来实现光谱展宽，通过平衡衍射和自聚焦效应在薄片组中实现稳定的光束模式传播，以抑制非线性光谱展宽过程中的时空耦合效应，确保了高传输效率和空间光束质量。

此外，薄片组后压缩方案在应用于基于光纤前端的Innoslab激光系统时还具有额外的优势，可以有效改善该激光系统的时空特性。从时间特性角度来看，经过非线性脉冲后压缩后，不仅脉冲会得到充分压缩，其脉冲质量也会得到有效的改善（如图2所示），这得益于非线性过程中对高阶色散的补偿，使得压缩脉冲几乎没有底座且十分接近傅里叶变换极限。从空间特性角度看，终端的后压缩输出相对于CPA系统输出，光束椭圆度提升且光束模式十分干净（如图3所示），没有空间畸变和旁瓣存在，这可以被认为是非线性过程中的空间自组织效应的结果，在成丝、多模光纤、自聚焦过程中光波塌缩等研究工作中也存在类似的现象。