基于Yb:CGA晶体的半导体直接泵浦的高功率飞秒激光器研究

Benefiting from the rapid development of the high-power and high-brightness laser diodes(LD)，all-solid-state ultrafast lasers play an important role in the various fields, such as precise detection, micro-nano machining, biomedicine, information communication, military and fusion research. With high-power LD pumping, the laser crystal acts as both gain material and Kerr medium, introducing serious thermal effects in the process of generating femtosecond pulses and limiting the output power. This project is based on excellent Yb:CGA crystal, proposing a research scheme for separating laser gain material and Kerr medium, and establishing a new resonant cavity structure model. Effects of the doping concentrating and thickness of the Yb:CGA and Kerr medium on the output wavelength and performance of high power femtosecond laser will be investigated systematically. Utilizing GTI mirrors for compensating the positive dispersion in the cavity, a stable high-power femtosecond oscillator with more than 10W output power and sub-100fs pulse duration operating at the central wavelength of 1μm will be realized, expanding the research for near-infrared 1μm ultrafast lasers and laying the foundation for the development of LD pumped all-solid-state ultrafast lasers.

随着高功率、高亮度激光二极管的迅速发展，全固态超短脉冲激光在先进制造、微纳加工、生物医学、宽带通信、军事和聚变研究等众多领域有着广泛的应用。在高功率半导体激光泵浦条件下，激光晶体同时作为增益介质和克尔介质，在产生飞秒激光的过程中引入了严重的热效应，限制了输出功率的进一步提升。本项目基于光学性能优良的Yb:CGA晶体，提出了将激光增益介质与克尔介质分离的研究方案，建立新型的谐振腔结构模型，系统研究Yb:CGA晶体的掺杂浓度、厚度以及克尔介质的厚度对高功率飞秒激光器的输出波长、激光性能的影响，并利用GTI镜进行谐振腔内的色散补偿，最终实现高功率（>10W）、短脉冲（<100fs）的锁模飞秒激光输出，丰富近红外1μm波段超快激光研究内容，为半导体激光器泵浦的全固态超短脉冲激光发展奠定基础。

近红外1微米飞秒激光脉冲具有高峰值功率、窄脉冲宽度、高亮度等优点，是当前国际激光技术领域的一个主攻方向和战略制高点，作为国家重大战略发展的前沿技术之一，在精密探测、先进制造、空间、军事和聚变研究等领域具有重大应用。本项目重点开展高功率窄脉宽Yb:CGA飞秒激光脉冲产生研究，主要包括端面泵浦Yb:CGA飞秒振荡器晶体热效应理论模拟，双共焦腔结构克尔透镜锁模Yb:CGA飞秒激光产生研究以及飞秒激光器谐振腔内色散管理研究。采用增益介质与克尔介质相分离的方案，对晶体增益过程和克尔透镜锁模过程进行单独控制，在实现增益介质有效能量提取的同时，获得稳定的克尔透镜锁模飞秒激光输出。采用双共焦腔结构，可以实现Yb:CGA晶体上较大的泵浦光和激光的光斑模式匹配，有利于获得较高的平均输出功率，并提高增益介质的转换效率。克尔透镜效应可以通过克尔介质厚度和位置的选择以及在介质内光斑大小的选择来进行独立的调节和优化，而不用再考虑增益的影响，有利于块状材料在高功率输出条件下实现稳定克尔透镜锁模，获得宽光谱窄脉宽飞秒激光输出。本项目利用980nm半导体激光器作为泵浦源，采用光学性能优良的Yb:CGA晶体作为激光增益介质，结合增益介质和克尔介质相分离的方案，同时设计接近非稳腔的新型谐振腔结构，从根本上解决晶体热效应、腔失调灵敏性对振荡器激光输出性能的影响，利用GTI镜实现谐振腔内色散有效补偿，最终在65MHz重复频率下，实现了中心波长1042nm，平均功率7.5W，脉冲宽度95fs，峰值功率1.21MW的超短脉冲激光输出。可以看出，基于双共焦腔结构的克尔透镜锁模技术一方面可以充分利用高功率半导体激光器直接泵浦，另一方面可以通过灵活调控自相位调制效应获得宽光谱输出，理论上输出功率仅受限于块材料激光器的热管理能力，因此在高功率窄脉冲激光输出方面仍有极大的潜力。这种高功率窄脉宽飞秒激光振荡器在泵浦光参量振荡器、非线性光谱学、双光子显微成像、超快THz产生、飞秒激光三维直写等领域有着广泛的应用前景。