“高”追求的固體鎖模振蕩器

高功率飛秒振蕩器也分為碟片振蕩器、光纖振蕩器和塊材料全固態(tài)振蕩器三種。其中輸出平均功率最高是碟片振蕩器，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的U. Keller課題組利用SESAM鎖模獲得了350 W平均功率的亞皮秒脈沖；馬克思-普朗克量子光學(xué)研究所的Krausz課題組利用克爾透鏡鎖模技術(shù)也獲得了平均功率270 W、脈沖寬度330 fs的鎖模輸出。而光纖激光振蕩器能夠直接輸出的平均功率也已達到了66 W。

相比之下，高功率摻鐿塊材料全固態(tài)飛秒振蕩器的發(fā)展還比較緩慢，目前最高平均功率只有十幾瓦。但塊材料全固態(tài)激光器具有自己的特色：

首先，塊材料全固態(tài)激光器具有增益晶體選擇的多樣性。碟片激光器主要以Yb:YAG為主，雖然也有利用其他增益介質(zhì)，但是成熟度和可靠性還有待提升，光纖激光器的增益介質(zhì)為Yb:glass。而塊材料全固態(tài)激光器的增益晶體的可選擇性就比較大，比如用Yb:CaF₂、Yb:KGW、Yb:CGA或者Yb:CYA都是有望獲得既高功率又短脈沖的鎖模輸出。

另外，塊材料全固態(tài)激光器在產(chǎn)生高平均功率高重復頻率（GHz）飛秒脈沖方面也具有優(yōu)勢。碟片振蕩器較大的激光頭限制其重復頻率不會(huì )太高，目前最高重頻只有260 MHz，而光纖振蕩器雖然也可以做到GHz重復頻率，但是增益介質(zhì)必然非常短，導致其功率不會(huì )很高。因此，高功率、短脈沖和高功率、高重頻是塊材料全固態(tài)飛秒振蕩器的兩個(gè)重要研究方向。

目前高功率摻鐿塊材料全固態(tài)飛秒激光器主要分為兩種，一種是基于半導體可飽和吸收鏡（SESAM）鎖模，一種是基于克爾透鏡鎖模（KLM）。

1）SESAM鎖模激光器

SESAM鎖模激光的輸出特性，非常依賴(lài)于SESAM器件。SESAM由U. Keller發(fā)明，并首次在1992年實(shí)現了穩定的被動(dòng)鎖模全固態(tài)振蕩器。1995年，SESAM被成功應用于摻鐿全固態(tài)鎖模振蕩器。

到目前為止，盡管U. Keller課題組利用她們做的SESAM可以實(shí)現碟片振蕩器350 W平均功率輸出，但這種高質(zhì)量SESAM屬于獨門(mén)絕技，大家能買(mǎi)到的SESAM都是德國B(niǎo)atop公司生產(chǎn)，質(zhì)量參差不齊。西安電子科技大學(xué)和中科院物理所合作，利用Yb:KGW晶體獲得了平均功率為13 W的SESAM被動(dòng)鎖模飛秒輸出，鎖模激光的光束質(zhì)量約為1.1，接近衍射極限，說(shuō)明熱管理方面非常不錯，該振蕩器的輸出功率主要受限于SESAM的質(zhì)量。而高質(zhì)量SESAM生長(cháng)在國內并不成熟，因此必須要發(fā)展高功率的純克爾透鏡鎖模摻鐿全固態(tài)振蕩器。

2）克爾透鏡鎖模激光器

克爾透鏡鎖模技術(shù)最早是1991年在鈦寶石振蕩器中偶然發(fā)現。1997年，人們在鈦寶石激光器泵浦的Yb:glass激光器中實(shí)現了克爾透鏡鎖模；2001年，首次在LD直接泵浦的Yb:KGW激光器中實(shí)現克爾透鏡鎖模。隨后，陸續利用不同的Yb增益晶體實(shí)現克爾透鏡鎖模，輸出脈沖寬度最短達到了17 fs，但平均功率均為幾十毫瓦到百毫瓦量級。（為了避免混淆，下文將這種平均功率低的克爾透鏡鎖模摻鐿全固態(tài)振蕩器稱(chēng)為傳統的克爾透鏡鎖模摻鐿全固態(tài)振蕩器。）

傳統克爾透鏡鎖模摻鐿全固態(tài)振蕩器的平均功率較低的主要原因是受限于諧振腔結構和泵浦源。首先根據孤子鎖模理論，克爾透鏡鎖模產(chǎn)生的孤子脈沖的脈沖寬度與腔內的色散、克爾非線(xiàn)性以及脈沖能量有關(guān)，如下式所示：

一般為了獲得短脈沖寬度，傳統克爾透鏡鎖模諧振腔的激光束腰半徑都非常小，導致其難以與高功率多模LD（光束質(zhì)量M²≈20）泵浦光實(shí)現良好的模式匹配，降低了激光效率，甚至會(huì )產(chǎn)生高階模運轉。利用單模LD泵浦，可實(shí)現較好的模式匹配，但泵浦源功率只有1~2 W。

上式還指出，當同時(shí)增加脈沖能量（也即平均功率）時(shí)，相應的增大激光光斑模式大小，仍能保持同樣的脈沖寬度。但此時(shí)則又出現克爾透鏡鎖模啟動(dòng)難度大的問(wèn)題?？藸柾哥R鎖模激光器鎖模啟動(dòng)的難易程度可以用克爾靈敏度參數δ來(lái)表征。其定義為諧振腔內光斑大小ω隨功率P的變化程度，表達式如下所示：

根據Cerullo等人的研究，如果δ<-0.5，克爾透鏡鎖模才可以很容易地啟動(dòng)和維持。對于傳統克爾透鏡諧振腔，當激光模式束腰半徑為50 μm（此時(shí)可以和多模LD達到良好的模式匹配），重復頻率為80 MHz時(shí)，能夠獲得δ<-0.5的區域非常小，較難實(shí)現穩定的克爾透鏡鎖模。因此，為了獲得高功率克爾透鏡鎖模需要解決小光斑模式匹配和大光斑難以啟動(dòng)的問(wèn)題。

針對小光斑模式匹配和大光斑難以啟動(dòng)的兩個(gè)難題，目前已經(jīng)有三種有效的方案，能夠獲得瓦級平均功率的克爾透鏡鎖模^[2]。

第一種方案：SESAM輔助的克爾透鏡鎖模

SESAM輔助的克爾透鏡鎖模又被稱(chēng)為KLAS鎖模。SESAM用于啟動(dòng)和穩定鎖模，解決了大激光模式下克爾透鏡鎖模難以穩定的難題。

2011年，日本電氣通信大學(xué)利用倍半氧化物陶瓷Yb:Lu₂O₃實(shí)現了瓦級平均功率的亞百飛秒KLAS鎖模運轉。

2013年，加拿大曼尼托巴大學(xué)利用Yb:KGW晶體獲得了功率和脈沖寬度分別為3 W、67 fs的KLAS鎖模輸出。

2018年，該單位利用Yb:CGA晶體作為增益介質(zhì)，實(shí)現了亞50 fs的KLAS鎖模，其單脈沖峰值功率達到了1.7 MW。

盡管KLAS鎖模的摻鐿全固態(tài)激光器已經(jīng)實(shí)現了數瓦級的亞百飛秒脈沖輸出，但是SESAM器件固有的損傷閾值限制了這類(lèi)激光器輸出功率的進(jìn)一步提升。而且SESAM工藝較為復雜，國內尚不能實(shí)現批量國產(chǎn)化，也限制了此類(lèi)激光器的廣泛應用。擺脫SESAM器件，突破高功率純克爾透鏡鎖模技術(shù)，成為了塊材料激光器實(shí)現更高平均功率窄脈沖輸出的關(guān)鍵。

第二種方案：光纖激光器泵浦的克爾透鏡鎖模激光器

目前摻鐿光纖激光器可以在976~980 nm實(shí)現10 W量級的高功率輸出，而且具有非常優(yōu)秀的光束質(zhì)量和亮度，通過(guò)聚焦可以獲得小泵浦光斑的同時(shí)保持較長(cháng)的瑞利長(cháng)度，從而解決小激光束腰半徑時(shí)的模式匹配問(wèn)題。

2013年，法國波爾多大學(xué)首次報道了光纖激光器泵浦的克爾透鏡鎖模Yb:CaF₂激光器，平均功率為2.3 W。

2014年，該單位又基于Yb:GGA晶體，首次直接獲得了瓦級平均功率的亞40 fs超短脈沖輸出。

西安電子科技大學(xué)與中科院物理所聯(lián)合團隊近年在這方面也取得不錯的結果。2018年，基于Yb:YSO晶體，得到了平均功率為2 W、脈沖寬度為95 fs的高功率克爾透鏡鎖模運轉；2019年，利用Yb:CYA作為增益介質(zhì)，獲得了脈沖寬度為36 fs、平均功率為2 W的鎖模結果，是目前摻鐿全固態(tài)亞40 fs激光器輸出的最高平均功率；2021年，基于Yb:KGW晶體，得到了重復頻率2 GHz、平均功率為1.7 W、脈沖寬度為145 fs的克爾透鏡鎖模運轉，是目前國際上輸出功率最高的GHz重頻克爾透鏡鎖模飛秒激光器。

光纖激光器泵浦的摻鐿全固態(tài)激光器雖然已經(jīng)實(shí)現了瓦級克爾透鏡鎖模運轉，但由于光纖激光器的成本高昂，而且最大泵浦功率比較有限，其平均輸出功率目前普遍局限在2~3 W。

第三種方案：利用雙共焦腔結構將增益晶體和克爾介質(zhì)進(jìn)行分離

與碟片、板條以及光纖結構的摻鐿增益介質(zhì)相比，塊材料介質(zhì)結構簡(jiǎn)單，便于生長(cháng)加工，價(jià)格便宜，而且可選的種類(lèi)多種多樣（晶體、陶瓷、玻璃以及不同的基底材料），因此在飛秒激光器應用中具有很大的靈活性。

圖1 高功率克爾透鏡鎖模Yb全固態(tài)激光器總結^[2]

如圖1所示，基于多種摻鐿塊材料增益介質(zhì)，人們采用克爾透鏡鎖模技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現了直接輸出瓦級平均功率、亞百飛秒脈沖寬度的飛秒振蕩器，最高平均功率達到10 W，單脈沖能量在百納焦量級。其中，基于雙共焦腔結構的克爾透鏡鎖模技術(shù)一方面可以充分利用高功率LD直接泵浦，另一方面可以通過(guò)靈活調控自相位調制獲得寬光譜輸出（光譜帶寬可以超過(guò)晶體的發(fā)射帶寬），理論上輸出功率僅受限于塊材料激光器的熱管理能力，因此在高功率、窄脈沖輸出方面仍有極大的潛力。

采用復雜的熱管理方式，如TEC制冷或者液氮低溫制冷，可大幅度提高塊材料增益介質(zhì)可承受的泵浦功率，從而使直接輸出平均功率大于100 W克爾透鏡鎖模激光也成為可能。目前已經(jīng)報道了基于低溫制冷的全固態(tài)摻鐿塊材料500 W連續光輸出結果為此提供了參考。

另外，減小振蕩器的腔長(cháng)獲得高功率、高重頻（GHz以上）亞百飛秒激光脈沖對光學(xué)頻率梳應用具有極大的吸引力，也是目前高功率摻鐿全固態(tài)飛秒激光器的一個(gè)重要發(fā)展方向。

目前LD泵浦的GHz重頻克爾透鏡鎖模激光器的輸出功率仍只有百毫瓦量級，西安電子科技大學(xué)與中科院物理所聯(lián)合團隊最近利用雙共焦腔結構，實(shí)現了重復頻率1 GHz、平均功率達到3 W的克爾透鏡鎖模輸出，初步驗證了該方案在高重頻、高功率方面的可行性和獲得更高平均功率的潛力。相信大力發(fā)展高平均功率、短脈沖寬度和高平均功率、高重復頻率的克爾透鏡鎖模全固態(tài)振蕩器，將在激光加工、非線(xiàn)性頻率變換、光學(xué)頻率梳以及進(jìn)一步功率放大等方面發(fā)揮重要作用。