暨南大学团队在2微米超短脉冲再生放大领域取得重要进展

室温大气环境下运转的高功率大能量2微米超短脉冲再生放大器示意图

近日，暨南大学物理与光电工程学院(理工学院)陈振强、李真团队在2微米超短脉冲再生放大领域取得重要进展。团队报道了一种室温大气环境下运行的高功率大能量掺铥飞秒再生放大器，其平均功率、脉冲能量与峰值功率均突破现有纪录，并且为产生高功率大能量2微米飞秒脉冲激光提供了一种简单、高效且低成本的技术方案。研究成果以“Ambient-Air, Room-Temperature High-Energy Thulium-Doped Regenerative Amplifier”为题发表在光学领域国际顶级学术期刊Laser&Photonics Reviews。论文第一作者是代世波教授和何佳佚硕士，通讯作者是代世波教授和陈振强研究员。

高功率大能量2微米飞秒脉冲激光在大气传感、材料加工、强场物理等领域具有重要应用价值。再生放大器具有增益高、光束质量好、结构紧凑等诸多优点，在产生大能量2微米超短脉冲激光方面具有显著优势。掺钬再生放大器虽然可以实现高功率、大能量、高效率的2微米超短脉冲激光输出，但是脉冲宽度通常被限制在皮秒量级。相比之下，掺铥增益介质(特别是Tm:YAP)具有较宽且平坦的发射谱，本质上有利于产生短脉宽的2微米飞秒脉冲激光。

当前，掺铥再生放大器可以直接产生2微米飞秒脉冲激光，但是输出波长(~1.94μm)通常位于大气水分子强吸收带，需要工作在真空或充氮环境下才能实现高能量输出，因此严重限制了该系统的实用性、稳定性以及应用前景。针对上述难题，团队首次将a-cut Tm:YAP晶体用于超短脉冲再生放大，巧妙利用其弱水气吸收发射峰(~1.99μm，E∥b)，同时开发了中心波长与之相匹配的掺铥光纤锁模激光器及放大器，突破了传统大能量掺铥再生放大器需要工作在真空或充氮环境的限制。

进一步，基于改进的Frantz-Nodvik方程，通过降低晶体掺杂浓度、布儒斯特角切割、提高种子光能量、优化种子光往返次数和谐振腔结构等多种措施，有效解决了高功率热管理、激光损伤、光谱窄化、高重频倍周期分叉等关键问题，仅在室温大气环境下就获得了脉冲能量为2.6mJ、重复频率为1kHz、脉冲宽度为431fs、峰值功率为4.8GW的2微米飞秒脉冲激光输出，这是目前掺铥再生放大器获得的最高脉冲能量和峰值功率。

该研究得到国家自然科学基金重点项目和面上项目、中国科协青年人才托举工程等项目的资助。感谢密尔光子科技有限公司和中国科学院福建物质结构研究所提供的支持和帮助。