论文题目：Yb-Doped Fiber Chirped Pulse Amplification System Delivering 1 mJ, 231 fs at 1 kHz Repetition Rate

期刊：Photonics

作者：Haitao Zhang,Jiaqi Zu,Decai Deng,Haozhen Xu and Junyu Chen

发表日期：27 January 2022

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/photonics

作者简介

张海涛 教授

清华大学精密仪器系

从事大能量高峰值功率脉冲光纤激光、高稳定超荧光光纤光源、微型固体激光、平板波导激光、无线光通信等激光技术与应用研究，主持了国家自然科学基金、国家高技术 863 课题、光电子十一五——十三五预先研究、国际合作等十余项科研项目；发表 SCI 文章数十篇，国家发明专利授权十余项，部分成果获得成果转换，形成产品；曾任国家高技术 863 专题专家组专家，获得军队科技进步奖一等奖、教育部自然科学奖二等奖。

引言

高能飞秒激光器广泛应用于许多工业和学术领域。飞秒脉冲的短脉冲宽度和高峰值功率是驱动非线性光学过程的关键。例如，高能物理，如激光粒子加速，需要具有高峰值功率和大能量的飞秒脉冲。一方面，为了获得所需的输出参数，光纤飞秒激光器以其高平均功率、相对简单的设置和优良的光束质量而受到广泛赞誉。另一方面，啁啾脉冲放大 (Chirped Pulse Amplification, CPA) 和大模面积 (Large Mode Area, LMA) 光纤解决方案的结合可以显著提高可实现的性能。最近，来自清华大学的张海涛教授及其团队在 Photonics 期刊报道了一种单脉冲能量 1 mJ、脉宽 231 fs、重复频率 1 kHz 的掺镱光子晶体光纤啁啾脉冲放大系统。

研究过程与结果

本研究建立的基于大模面积棒状掺镱光子晶体光纤的CPA系统如图 1 所示。种子为自制的非线性放大环形镜 (Nonlinear Amplifying Loop Mirror, NALM) 锁模激光器，双啁啾布拉格光栅 (Chirped Fiber Bragg Grating, CFBG) 可用于拉伸脉冲，其二阶和三阶色散可以精确调整，以匹配压缩光栅对，从而获得良好的压缩质量；AOM (Acoustic Optical Modulator) 可用于降低重频，利用延迟信号发生器来调节信号光和各级泵浦间的时间延迟。该系统采用了四级放大的方式，前三级为掺镱柔性光纤，最后一级使用棒状光子晶体光纤。每个放大级的模式匹配确保了光束不失真，脉冲同步泵浦用于抑制放大自发辐射 ASE (Amplified Spontaneous Emission)，最后利用透射式光栅实现对脉冲的压缩。

图1. 搭建的激光器整体结构。

各级单脉冲能量演化如图 2 所示。经过展宽器后，种子脉冲能量有所降低。经过四级放大后，能量被放大到 1.22 mJ。压缩后的输出能量为 1 mJ，相应的总压缩效率为 82%。

图2. 各级脉冲能量演化。

压缩结果如图 3 所示。高斯曲线拟合的脉冲宽度为 231 fs，可以看出，脉冲中间区域的啁啾基本得到补偿。两侧的旁瓣是由系统中累积的非线性效应引起的。通过整合主峰中的能量估算峰值功率达到了 3.85 GW。

图3. 脉冲压缩结果，包括测量和拟合值。

研究总结

本文提出了一种高能掺镱光纤 CPA 激光器系统，在 1 kHz的低重复频率下，采用同步脉冲泵浦技术获得 1 mJ 的单脉冲能量，通过色散可调展宽器和压缩器的精确匹配，压缩后的输出脉冲宽度达到 231 fs。单脉冲能量为 1 mJ，峰值功率为 3.85 GW，输出脉冲宽度为 231 fs，这在单通道光纤 CPA 系统中具有非常优异的性能，在实现高单脉冲能量的同时保证了高峰值功率以及小于 250 fs 的脉宽。此外，由于 PCF (Photonic Crystal Fiber) 的优点，输出光束质量接近衍射极限。未来，通过提高重复频率可以提高平均输出功率，通过相干合成技术可以进一步提高能量。

原文出自Photonics 期刊

Zhang, H.; Zu, J.; Deng, D.; Xu, H.; Chen, J. Yb-Doped Fiber Chirped Pulse Amplification System Delivering 1 mJ, 231 fs at 1 kHz Repetition Rate. Photonics 2022, 9, 67.

Photonics 期刊介绍

主编：

Nelson Tansu, The University of Adelaide, Australia

期刊出版光学和光子学相关的基础理论和应用方面的学术文章，涵盖量子光学、微纳光学、光电子学、光谱学、集成光学、生物医学光子学、光子功能材料、激光器与激光光学、光纤光学与光通信、光传感、经典光学等方向。

2020 Impact Factor：2.676

2020 CiteScore：3.5

Time to First Decision：14.7 Days

Time to Publication：35 Days