高重频全固态飞秒Yb:CYA激光放大器及高次谐波产生研究

High harmonic generation (HHG) can produce extreme ultraviolet (XUV) to soft-X ray ultrafast coherent electromagnetic waves, which has long been frontier research in laser physics and ultrafast science. However, the HHG driving sources so far are usually very complicated and expensive. Especially they can’t meet the urgent requirement of high repetition rate in many applications. In this project, we propose to study high average power new all-solid-state femtosecond laser system and high repetition rate HHG based on our experience in all-solid-state femtosecond lasers for years. By using of our 33 fs Kerr-lens mode-locked Yb:CYA oscillator as the seeder and employing the high repetition rate chirped pulse amplification scheme, we will develop key techniques in heat management and pulse compression and build an all-solid-state femtosecond laser system with the average power higher than 10 W, the repetition rate of 1 MHz and the pulse width less than 50 fs. Then we will study the mechanism and technique of high repetition rate femtosecond laser matter interaction. As last we will build a compact table-top XUV source with high efficient high repetition rate HHG output. This study is not only innovative for femtosecond laser technology and HHG but also important as new light sources for ARPES and PEEM to study the new characteristics of condensed matters and ultrafast dynamics of atoms and molecules.

高次谐波（HHG）由于可覆盖从极紫外（XUV）到软X射线的超快相干电磁辐射，一直是激光物理及超快科学等研究的前沿内容。本项目针对目前HHG驱动光源技术复杂、成本昂贵，特别是无法满足大量应用研究对高重频要求的问题，拟基于我们多年来全固态飞秒激光研究的基础，开展高平均功率新型全固态飞秒激光及其驱动的高重频HHG研究，通过采用已有的33fs锁模Yb:CYA激光作种子，结合高重频啁啾脉冲放大方案，在解决热管理、脉冲压缩等问题的基础上，研制出平均功率大于10W、重复频率1MHz、脉宽小于50fs的全固态飞秒激光系统，进而通过与气体材料相互作用的机理与技术研究，获得高效率的高重频HHG输出，建立起紧凑的台面XUV源。这不仅将是飞秒激光技术和HHG产生技术发展中具有创新意义的内容，而且作为ARPES、PEEM等设备的新型光源，对于研究凝聚态物质的新特性及原子、分子的动力学过程，具有重要的意义。

以高平均功率和高重复频率为特征的第三代飞秒激光技术已经在前沿科学研究和先进工业加工、医疗手术等领域得到了越来越广泛的应用。本项目深入探究了全固态飞秒激光的输出潜力，在输出激光功率、重复频率、脉冲宽度、光束质量和激光效率等方面实现了多个突破，形成了完整的具有自主产权的全固态飞秒激光技术方案，为后续开展科学研究和产业应用提供了强有力的飞秒激光工具。本项目理论研究了整个放大链路的色散特性，设计了高效率全固态啁啾脉冲放大系统的展宽和压缩方案，实现了高功率放大和接近傅里叶变换极限的脉冲压缩。根据Yb3+离子上能级寿命特性，设计了兆赫兹选单放大方案，并优化再生放大过程中的热管理和抑制增益窄化效应，实现了平均功率22 W、重复频率1 MHz、脉冲宽度168 fs、光束质量M2因子小于1.2的高功率高重频再生放大输出，达到了项目预期的技术指标。最近在实验室实现了平均功率达42 W、脉冲宽度仅为130 fs的再生放大结果，将全固态再生放大的输出功率提高到了一个新的水平。与项目合作单位中国科学院物理研究所联合开展了高重频高次谐波产生(HHG)的实验研究。利用重复频率400 kHz（最大值）、单脉冲能量50 uJ、脉冲宽度40 fs的飞秒光纤激光器（德国Active Fiber公司），成功实现了达27次的高次谐波。使用自研的1 MHz全固态飞秒激光再生放大器作为泵浦源驱动HHG，相比于光纤激光器驱动源，具有如下优势：1、重复频率最大可达1 MHz；2、全固态飞秒激光器的时域脉冲更加干净；3、在高重频下单脉冲能量更高。这些优势使得高重频全固态飞秒驱动HHG有望实现更好的实验效果，而且可实现全部国产替代，将独立自主建立从飞秒驱动光源到HHG产生和应用的整套实验平台，在时间分辨ARPES、光发射电子显微镜（PEEM）等科研领域取得重要应用。同时，将探索在高精密飞秒激光微加工、飞秒激光医学方面的典型应用。