全LD泵浦的小型化混合型高峰值功率、高平均功率飞秒激光系统

本项目提出研制"全LD泵浦的小型化混合型高峰值功率、高平均功率、高重复频率飞秒级激光系统"，即：在振荡级和前置放大级采用LD泵浦的光子晶体光纤激光器结构，而在功率放大级采用LD泵浦掺Yb块状晶体的多通放大结构的混合型激光系统，这就发挥了光子晶体光纤飞秒激光器和固体飞秒激光器各自的优势，克服了不足。该飞秒激光系统的主要优点是：（1）与钛宝石飞秒激光放大系统相比，不仅实现了全部采用LD直接泵浦，并且具有较高的平均功率和重复频率；（2）与传统光子晶体光纤激光放大系统相比，在高功率放大级采用块状晶体可以大大减少色散和非线性积累，有利于去啁啾压缩脉冲，并方便使用扩束方式以减小功率密度和提高破坏阈值，能够实现更高的峰值功率。这种结构目前国内外还未见报道，这是极具挑战性和吸引力的研究课题与技术。

本项目研究了实现全LD泵浦的混合型飞秒激光放大系统的各种单元技术和物理过程；详细研究了LD泵浦的光纤/光子晶体光纤飞秒（PCF）激光系统和LD泵浦的块状固体飞秒激光系统，取得了如下成果：论证了PCF激光器中的孤子型锁模、呼吸型锁模、耗散型孤子锁模和全正色散锁模机制，以及腔内脉冲整形动力学过程；首次研制出简单腔的PCF飞秒激光振荡器，实现了振荡级的小型化；发明了一种基于G-T镜多通腔型的新型脉冲压缩器，并首次应用于PCF振荡器，实现了飞秒激光振荡器的低成本、高能量、高峰值功率；数值模拟和实验验证了光纤激光器的腔长、构成器件参数和放置位置等对锁模脉冲动力学的影响；研制了全光子晶体光纤高能量非线性放大系统，获得IMHz重复率，最短脉冲宽度124fs, 单脉冲能量1.56μJ, 对应峰值功率12.6 MW 的激光输出；研制了全光子晶体光纤高功率非线性放大系统，通过优化振荡级与放大级之间的脉冲整形关系，获得了重复率42MHz，最高平均功率36W，最短52fs的激光输出；在块状晶体激光系统方面：采用国产新型Yb,Na:CaF2块状固体激光振荡器中实现了14.5W的目前最高连续激光输出功率；并首次实现了该激光振荡器的飞秒级连续锁模运转，获得了最短175fs的光脉冲；在此基础上，设计和完成了适用于LD泵浦的块状晶体多通放大器，并进行了实验；为了实现高平均功率、高峰值功率的目标，我们提出并研究了新型多芯PCF的超模选取和相干合成形成高功率、高能量脉冲激光的可能性；提出新型混合包层结构的PCF，数值研究了其导光特性；首次采用多芯PCF分别实现了高峰值功率放大器的运转；目前采用多芯PCF相干合成技术获得的最高峰值功率150MW, 最高输出功率已经到达百瓦量级。本项目的研究成果对于继续提升全LD泵浦飞秒激光系统的高平均功率和高峰值功率的水平打下了坚实的基础。