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高峰值功率和短脈寬的組合實(shí)現(xiàn)了激光與物質(zhì)作用在最小化熱效應(yīng)的同時(shí)產(chǎn)生極強(qiáng)的局部電場強(qiáng)度，為物質(zhì)有效電離和剝脫創(chuàng)造基本物理?xiàng)l件。在極端物理研究領(lǐng)域如阿妙光源、激光核聚變，以及材料科學(xué)、分析化學(xué)等需要極短時(shí)間的物質(zhì)光致激發(fā)應(yīng)用方面，這種超短、瞬時(shí)超強(qiáng)的激光束成為先進(jìn)的研究工具。

非線性光譜展寬技術(shù)

在飛秒激光技術(shù)的發(fā)展中，以800nm波長鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)為代表，為極端物理研究提供了少周期毫焦脈沖；但鈦寶石激光器的平均功率難以提升，而以摻鐿離子晶體為增益介質(zhì)的飛秒光源，其平均功率和單脈沖能量可以達(dá)到數(shù)百瓦、數(shù)毫焦，可是受限于鐿離子的能級(jí)特征，其發(fā)射譜寬度無法支持?jǐn)?shù)十飛秒的脈沖。

非線性光譜展寬技術(shù)的發(fā)展為擴(kuò)展脈沖的光譜寬度，二次色散補(bǔ)償獲得少周期超短脈沖提供了途徑，主要手段包括采用空芯波導(dǎo)光纖、充特種氣體密封管、固體非線性介質(zhì)作為光學(xué)非線性效應(yīng)產(chǎn)生的載體，注入超短脈沖在這些器件中激發(fā)出自相位調(diào)制效應(yīng)，從而擴(kuò)展脈沖的光譜寬度。空芯波導(dǎo)光纖、充特種氣體密封管在實(shí)際使用中，存在著光束耦合難度大、精度要求高、端面損傷閾值低、受環(huán)境因素影響敏感等弊端；采用固體非線性介質(zhì)的多通腔光譜非線性展寬方法耐受激光功率高，但腔型布局對(duì)光束質(zhì)量影響顯著，且多通腔體積大、三維空間光路調(diào)試復(fù)雜。

出于技術(shù)服務(wù)應(yīng)用的觀念，超快激光行業(yè)將非線性光譜展寬技術(shù)用于極窄飛秒脈沖的壓縮，須采用一種成本和光機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)友好的技術(shù)路線。通過巧妙利用超短脈沖激光在物質(zhì)中的自聚焦效應(yīng)，以多個(gè)固體非線性介質(zhì)間隔排列的方式，組合出一組自相位調(diào)制激發(fā)裝置，實(shí)現(xiàn)在較短的空間范圍內(nèi)，以主動(dòng)聚焦、自聚焦方式管理飛秒光束的非線性相移，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖光譜的展寬。該方法已多次在學(xué)術(shù)刊物上報(bào)道，被證明是行之有效的獲得固體介質(zhì)中展寬光譜的一種相對(duì)簡潔的技術(shù)路線。

奧創(chuàng)光子FS-1030-120

奧創(chuàng)光子新推出的工業(yè)化120W/1.2mJ飛秒激光器FS-1030-120，通過多級(jí)摻鐿固體放大器提供高增益，同時(shí)優(yōu)化放大過程的熱管理，使之兼具高平均功率、大能量的特點(diǎn)，其直接輸出的脈沖峰值功率已達(dá)1.4GW，且具有良好的光束質(zhì)量。激光束優(yōu)良的光強(qiáng)和空間特性是確保后繼非線性光譜展寬和時(shí)域二次壓縮的前提。通過外置非線性壓縮腔的增強(qiáng)型FS-1030-120-EXshort，是在普通型激光頭輸出面板外掛非線性壓縮腔，而無須改變激光器原有的光機(jī)機(jī)構(gòu)和控制方式，但具備了輸出80W/600uJ/125fs超短超強(qiáng)飛秒脈沖的能力，其峰值功率提升至4.8GW。

圖1. FS-1030-120-EXshort型激光器外觀照片

EXshort式非線性壓縮腔為獨(dú)立的光譜展寬、色散補(bǔ)償一體化模塊，外形尺寸410mm×150mm×88mm，內(nèi)置了多組不同組分的非線性玻璃平板，每一塊平板在聚焦高斯光束的作用下發(fā)揮出自相位引起的光譜展寬，而不同位置玻璃板的彼此間距也通過嚴(yán)格的模擬仿真計(jì)算和光斑形貌實(shí)測來確定，以確保每一塊玻璃板中激發(fā)出自相位調(diào)制效應(yīng)卻遠(yuǎn)離多光子吸收和光損傷閾值；每一塊玻璃板的厚度精心選取，平衡自相位調(diào)制光學(xué)條件和自聚焦長度，保持足夠的非線性光譜展寬并保持介質(zhì)內(nèi)有一定的自聚焦效果，從而支持多組玻璃板之間的高斯光束自再現(xiàn)變換與傳播。

圖2. FS-1030-120型激光器加裝

EXshort模塊前后的激光光譜

EXshort的設(shè)計(jì)輸出脈寬為100~150fs，因而其內(nèi)置用于非線性光譜展寬的玻璃板總厚度有限，所需的額外色散補(bǔ)償器件（啁啾鏡組）占用空間就很小，這確保了模塊整體的緊湊結(jié)構(gòu)。EXshort模塊的設(shè)計(jì)、裝調(diào)過程解決了自聚焦引起的飛秒光束空間分布非均勻和頻域光譜分布非均勻的難題，克服了啁啾鏡尺寸受限的影響，具備適中的脈沖非線性壓縮比和高光束質(zhì)量，成為拓展各類高能摻鐿晶體（尤其是常用的Yb:YAG）飛秒激光放大器峰值強(qiáng)度，進(jìn)入極窄超短脈沖應(yīng)用領(lǐng)域的利器。