受時(shí)間帶寬積原理的物理限制以及高功率飛秒激光增益介質(zhì)實(shí)際增益帶寬的制約，常用的摻鐿激光介質(zhì)難以支持直接輸出亞百飛秒脈沖。超快激光技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展出的非線性光譜展寬方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出的飛秒脈沖進(jìn)行二次光譜寬度擴(kuò)展，再通過(guò)二次色散補(bǔ)償獲得更窄的脈寬。該技術(shù)方法已在科研用飛秒激光系統(tǒng)中推廣使用，成為數(shù)十飛秒窄脈沖的常用產(chǎn)生機(jī)制。隨著各類低損耗非線性光譜展寬器件的出現(xiàn)和完善，該技術(shù)也逐步進(jìn)入工業(yè)飛秒激光系統(tǒng)，為極端制造、精密加工創(chuàng)造更高峰值功率、更小熱效應(yīng)的激光源。

奧創(chuàng)光子已推出了EXshort系列非線性脈沖壓縮裝置，具有獨(dú)立的模塊化封裝，可內(nèi)置于飛秒激光器腔內(nèi)或外掛于飛秒激光器輸出端，對(duì)傳統(tǒng)飛秒激光器的輸出百飛秒脈沖進(jìn)行再次壓縮，可獲得脈寬100~150fs的更窄脈沖。并且?jiàn)W創(chuàng)光子團(tuán)隊(duì)的技術(shù)迭代開(kāi)發(fā)工作仍在持續(xù)進(jìn)行中，目前我們已完成2000W高功率高能量飛秒激光器的樣機(jī)開(kāi)發(fā)，最大可輸出能量8mJ的超短超強(qiáng)脈沖，具有80GW的超高峰值功率！

在飛秒激光市場(chǎng)向更高功率、更大能量飛秒激光器需求的驅(qū)動(dòng)下，窄脈寬高能高功率飛秒激光器成為戰(zhàn)略前沿產(chǎn)品，在高效精密加工、大科學(xué)裝置等應(yīng)用方向有著眾所期待的潛力。針對(duì)這樣的前瞻性應(yīng)用需求，奧創(chuàng)光子開(kāi)發(fā)出了適用于高功率、大能量飛秒脈沖的非線性壓縮裝置，可承受激光功率最大達(dá)300W，最大輸入脈沖能量高達(dá)2mJ，并具有與EXshort系列類似的一體化獨(dú)立腔體結(jié)構(gòu)，能夠方便安裝到奧創(chuàng)光子的大部分飛秒激光頭前端，實(shí)現(xiàn)對(duì)各型號(hào)飛秒激光器的峰值功率拔高。

圖1. 外置于高能飛秒激光器的非線性壓縮裝置實(shí)物 

定位于無(wú)源性高功率激光模組，該產(chǎn)品的激光強(qiáng)度承受能力是首要考慮因素。不同于EXshort系列的光譜非線性展寬介質(zhì)采用石英玻璃，高功率激光的非線性光譜展寬須在極高損傷閾值的光學(xué)透明載體中實(shí)現(xiàn)，對(duì)于高能飛秒激光束，自身就有極高的峰值功率，其電場(chǎng)強(qiáng)度足以在空氣中激發(fā)非線性效應(yīng)，因而空氣恰好是理想的高穩(wěn)定性光譜展寬介質(zhì)。

考慮空氣介質(zhì)有限的非線性系數(shù)，自相位調(diào)制的激發(fā)需要激光束的反復(fù)聚焦方能實(shí)現(xiàn)，從而以多通腔（MPC）作為入射飛秒激光束的光路架構(gòu)，即一對(duì)共焦凹面鏡組成的類諧振腔腔體將入射飛秒脈沖在一定的光程內(nèi)制約于腔內(nèi)往返反射傳輸，每次經(jīng)過(guò)腔內(nèi)焦平面附近即產(chǎn)生極高峰值功率密度，激發(fā)非線性光學(xué)效應(yīng)；多次往返和聚焦所產(chǎn)生的自相位調(diào)制效應(yīng)積累，脈沖光譜因此逐漸加寬。合理設(shè)計(jì)折返次數(shù)，當(dāng)加寬到所需譜寬，脈沖恰好從多通腔反射輸出，進(jìn)入到下一個(gè)色散補(bǔ)償環(huán)節(jié)。色散補(bǔ)償鏡和多通腔凹面反射鏡表面承受著很高的光強(qiáng)，其鍍膜參數(shù)就要求極高，鍍膜光學(xué)品質(zhì)不僅要保證高于光致?lián)p傷閾值、光電離閾值，并且凹面反射層在相當(dāng)寬的光譜范圍內(nèi)要有低色散特性，而色散補(bǔ)償鏡具有較大的負(fù)色散特性。該模塊產(chǎn)品的MPC腔鏡為60mm直徑，能夠分布超過(guò)30次的往返光路，啁啾鏡數(shù)量2~6片可根據(jù)脈沖實(shí)際測(cè)得的啁啾特性來(lái)調(diào)整。

產(chǎn)品家族的相互兼容性、適應(yīng)性是各類附件產(chǎn)品，尤其是外置式裝置的設(shè)計(jì)原則之一。類似于奧創(chuàng)光子的外掛式倍頻模塊，該非線性壓縮裝置在殼體接口一側(cè)具有定位槽，方便初步定位入射角度和光高，實(shí)現(xiàn)與奧創(chuàng)光子各類飛秒激光頭銜接；而且考慮到不同型號(hào)激光器的初始入射脈沖強(qiáng)度的差異，有效的非線性光譜展寬就相應(yīng)地需要不同的MPC腔內(nèi)折返次數(shù)，或不同的聚焦點(diǎn)光斑直徑，為了保證該兼容性需求，對(duì)MPC的輸入光束整形透鏡組設(shè)計(jì)了可變聚焦功能，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)聚焦光斑直徑的調(diào)整，同時(shí)將MPC導(dǎo)入鏡的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為五維可調(diào)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的腔內(nèi)折返次數(shù)需求來(lái)調(diào)整導(dǎo)入光束的初始角度、位置。

這樣的兼容性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使該非線性壓縮模塊能夠改變MPC中激發(fā)的非線性效應(yīng)強(qiáng)度，按實(shí)際應(yīng)用需要的光譜寬度進(jìn)行MPC腔內(nèi)折返次數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)200µJ~2mJ大范圍能量強(qiáng)度的入射飛秒脈沖二次壓縮。實(shí)際壓縮效率受MPC腔內(nèi)折返次數(shù)以及啁啾鏡的影響。兼容性亦體現(xiàn)在該裝置的非線性效應(yīng)加強(qiáng)需求，即對(duì)于需要急劇展寬光譜的應(yīng)用，或入射脈沖峰值過(guò)小，僅靠空氣的非線性難以支持光譜有效展寬，對(duì)此而設(shè)計(jì)了氣體輸入輸出接口，在需要增強(qiáng)非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)時(shí)，可向腔內(nèi)充入高非線性氣體。

圖2. 非線性壓縮裝置的典型輸入輸出光譜和脈沖 

作為激光頭上的外掛模塊，其穩(wěn)定性決定了產(chǎn)品適用度。除了具有連接槽、支撐座的氣密性殼體，殼內(nèi)的光機(jī)零部件大部分為膠化固定，確保每個(gè)光學(xué)鏡片的穩(wěn)固性，僅有的幾個(gè)可調(diào)機(jī)械裝置都具備鎖緊功能。輔助調(diào)光機(jī)構(gòu)包括校準(zhǔn)光束輸入窗口、內(nèi)光路分支指向點(diǎn)監(jiān)測(cè)窗口、腔鏡光斑分布監(jiān)測(cè)窗口等，能夠滿足對(duì)腔內(nèi)幾處關(guān)鍵位置的光束能量、指向的測(cè)量和判斷，不僅便于生產(chǎn)裝調(diào)，也利于后期維護(hù)檢修。該裝置唯一需要定期更換的物料是內(nèi)嵌于腔體側(cè)壁中的干燥劑。

圖3. 非線性壓縮裝置的輸出光束質(zhì)量測(cè)試

幾個(gè)典型的非線性壓縮輸出數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2、圖3、圖5。在48.7、1.21mJ的1030nm飛秒激光輸入下，該非線性壓縮裝置輸出43.5W、1.08mJ的二次壓縮脈沖，整體效率接近85%，當(dāng)入射脈沖峰值功率提高，壓縮效率會(huì)進(jìn)一步提升。入射脈沖寬度759fs，非線性壓縮后的輸出脈沖寬度97fs，獲得了近7倍的壓縮比。為了兼容不同脈寬的應(yīng)用需求，用戶可以調(diào)節(jié)飛秒激光器的壓縮器輸出不同脈寬，則非線性壓縮后的脈寬也隨之發(fā)生改變，這就相當(dāng)于調(diào)節(jié)輸入脈沖的啁啾量以改變非線性壓縮效果，其數(shù)值模擬仿真所得規(guī)律性見(jiàn)圖4。

圖4. 數(shù)值模擬在不同啁啾特性的入射脈沖條件下，輸出的非線性壓縮脈沖光譜和脈寬演化規(guī)律 

實(shí)測(cè)中，當(dāng)前端飛秒激光器為脈寬可調(diào)（如700fs~10ps），經(jīng)過(guò)非線性壓縮裝置后的脈寬范圍也相應(yīng)擴(kuò)展到最短~100fs。該非線性壓縮裝置良好的機(jī)械穩(wěn)定性和雜散光管理，確保了輸出的二次壓縮脈沖的功率穩(wěn)定性（圖5）。

圖5. a非線性壓縮裝置的輸出功率穩(wěn)定性測(cè)試 

圖5. b.輸出光束指向穩(wěn)定性測(cè)試  奧創(chuàng)光子技術(shù)有限公司是一家專業(yè)從事工業(yè)級(jí)飛秒激光器及其核心器件研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)�？偛孔�落于浙江省杭州市，目前擁有約10000平方米光學(xué)潔凈室和辦公區(qū)。公司創(chuàng)始核心團(tuán)隊(duì)由中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室核心隊(duì)伍及海歸超快激光器工程化專家共同組成，其中包括國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃專家、國(guó)際知名超快激光器企業(yè)首席設(shè)計(jì)師等，是目前國(guó)內(nèi)超快激光領(lǐng)域的先行者和引領(lǐng)者。

自2018年創(chuàng)立以來(lái)，公司已申請(qǐng)150余項(xiàng)專利，已擁有核心技術(shù)包括NALM全光纖長(zhǎng)壽命鎖模種子源量產(chǎn)工藝、高階色散可調(diào)控CFBG制作工藝、拋物脈沖高保真光纖CPA技術(shù)、高增益innoslab放大器封裝工藝及技術(shù)等，結(jié)合100%自主設(shè)計(jì)的超快種子源、溫度調(diào)諧式啁啾光纖光柵等核心器件，已成功推出千瓦級(jí)、毫焦級(jí)、超短脈寬等系列化飛秒激光器產(chǎn)品，并在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域批量出貨，年量產(chǎn)出貨超過(guò)500臺(tái)，打破了該領(lǐng)域被國(guó)外產(chǎn)品長(zhǎng)期壟斷的局面。

文章來(lái)源：奧創(chuàng)光子

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文僅供交流學(xué)習(xí)之用，如涉及版權(quán)等問(wèn)題，請(qǐng)您告知，我們將及時(shí)處理。