Name: 20 mJ，1 ps Yb:YAG薄盘再生放大器 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-12T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 17 s
Description: 了解Yb:YAG薄盘再生放大器的设计与操作方法，用于产生高能量皮秒激光脉冲。本方案详细展示振荡器、展宽器、再生放大器及压缩器各阶段的搭建流程与关键参数测量技术。

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我们感谢 Ferenc Krausz 教授的讨论，以及 Najd Altwaijry 在完成手稿过程中提供的支持。本工作由先进激光应用中心（CALA）资助。

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作者无任何利益冲突需要披露。

通过优化激光器各组件的热管理，实现了振荡器的一键式操作。该振荡器输出每日均可重复，无需额外调准或优化。此外，种子激光器的脉冲间能量稳定性和空间指向稳定性均满足再生放大器稳定运行的先决条件。
其他低能量种子光源，例如光纤放大器，也可用于为该放大器提供种子光。在本研究中，采用了一个输出 2 µJ 的 Yb:YAG 薄盘 Kerr-锁模（KLM）振荡器，以辅助再生放大器的放大过程，从而减少累积非线性相位的增长，因为较高的输入种子能量可减少所需的往返次数。此外，较高的种子能量会影响放大过程并减轻增益窄化效应。在固定泵浦功率下，不同种子能量对应的放大后脉冲光谱带宽测量结果如图 5c所示。由于增益窄化效应，种子能量越低，放大后的光谱带宽越小。当种子能量为 10 pJ 时，激光器出现倍周期现象，即使增加往返次数也无法实现稳定运行。除了对冷却系统和激光二极管电源进行精细优化外，再生放大器在饱和状态下的运行对于实现放大器的高稳定性起着关键作用。
该激光器的基波或二倍频均可用于泵浦光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）系统。对于二次谐波产生（SHG），比较了LBO和BBO晶体的性能，这两种晶体均具有较高的非线性系数和损伤阈值，尽管BBO存在较大的空间走离以及可用通光孔径受限的问题。由于BBO的非线性系数几乎是LBO的两倍，因此使用更短的晶体即可达到SHG的饱和极限（图6a）。因此，BBO是更合适的选择，因为其累积的非线性相位更小28。
在不同转换效率下，对二次谐波脉冲的脉冲持续时间进行了实验表征。观察发现，在高转换效率下，二次谐波光谱展宽，并出现高阶光谱相位（图6）。因此，选择转换效率为70%的情况B，此时二次谐波光束与未转换的基频光束均保持优异的光束质量。

在高重复频率下产生高能量、少周期激光脉冲，对于阿秒科学1,2,3,4 和强场物理5,6 等应用领域具有重要意义，这些领域将直接受益于此类光源的可用性。光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）是实现高脉冲能量和大增益带宽的最有前景的技术路径，可同时支持少周期脉冲的产生1。迄今为止，OPCPA 已实现超宽带放大，能够生成少周期脉冲7,8,9,10。然而，一种改进的 OPCPA 方案——采用皮秒量级的短泵浦脉冲——有望使该技术在少周期脉冲 regime 下进一步扩展至更高的脉冲能量和平均功率1,11,12。由于短脉冲泵浦的 OPCPA 具有高泵浦强度，单通增益显著，因而可使用非常薄的晶体以支持大范围的增益带宽。尽管短脉冲泵浦的 OPCPA 具有诸多优势，但该方案的实现依赖于专为此目的设计的激光器。这类泵浦激光器需在 kHz 至 MHz 重复频率范围内，输出具有近衍射极限光束质量的高能量皮秒脉冲13,14,15。
在不同几何构型中引入能够输出高能量、高平均功率皮秒激光脉冲的掺镱激光器，正在改变该领域的现状1,13,14,15,16,17,18。Yb:YAG 具有良好的热导率和较长的上能级寿命，可由成本较低的二极管激光器泵浦。当采用薄盘结构时，其性能尤为突出，这是因为增益介质可实现高效冷却，从而同时提升输出脉冲的峰值功率和平均功率。此外，由于薄盘结构的厚度远小于其他增益介质构型，放大过程中增益介质内部的自聚焦效应得以抑制，从而获得优异的时间和空间脉冲特性。将这一结构与啁啾脉冲放大（CPA）技术相结合，有望实现能量达数百毫焦耳、平均功率达数百瓦的皮秒脉冲输出19,20。
本研究旨在展示一种具备卓越日常性能的即开即用型 Yb:YAG 薄盘再生放大器，作为泵浦光学参量啁啾脉冲放大器（OPCPA）的合适光源21。为实现这一目标，本研究采用脉冲能量达数微焦耳的 Yb:YAG 薄盘振荡器22作为放大器的种子源，以最小化放大过程中累积的非线性相位。本实验方案提供了构建和运行该激光系统的详细方法，相关系统已在别处描述21。文中还介绍了各组件的实现方式与控制软件，并阐述了系统的准直过程。

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;电光学&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>光纤耦合二极管激光模块</td><td>Dilas Diodenlaser GmbH</td><td>M1F8H12-940.5-500C-IS11.34</td><td></td></tr><tr><td>光纤耦合二极管激光模块</td><td>Laserline GmbH</td><td>LDM1000-500</td><td></td></tr><tr><td>二极管激光器电源供应</td><td>Delta Elektronika B.V.</td><td>SM 15-100</td><td></td></tr><tr><td>二极管激光器电源</td><td>Delta Elektronika B.V.</td><td>SM 35-45</td><td></td></tr><tr><td>脉冲选择器驱动器</td><td>贝格曼测量仪器&amp;auml;te Entwicklung KG&amp;nbsp;</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>普克尔斯盒驱动器</td><td>贝格曼测量仪器&amp;auml;te Entwicklung KG&amp;nbsp;</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>脉冲选择器驱动电源</td><td>Bergmann Messger&amp;auml;te Entwicklung KG&amp;nbsp;</td><td>PCD8m7</td><td></td></tr><tr><td>Pockels盒驱动电源</td><td>Bergmann Messger&amp;auml;te Entwicklung KG&amp;nbsp;</td><td>PCD8m7</td><td></td></tr><tr><td>延迟发生器 PCI</td><td>Bergmann Messger&amp;auml;te Entwicklung KG&amp;nbsp;</td><td>BME_SG08p</td><td></td></tr><tr><td>分束盒</td><td>贝格曼测量仪器&amp;auml;te Entwicklung KG&amp;nbsp;</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>共振预放大器</td><td>贝格曼测量仪器&amp;auml;te Entwicklung KG&amp;nbsp;</td><td>BME_P03</td><td></td></tr><tr><td>脉冲选择器晶体</td><td>Castech Inc.</td><td>N/A，定制化</td><td>12*12*20 毫米&amp;sup3;</td></tr><tr><td>普克尔斯盒晶体</td><td>Castech公司</td><td>N/A，定制化</td><td>12*12*20 毫米&amp;sup3;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;评论&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;光学&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>薄片</td><td>TRUMPF Scientific Lasers&amp;nbsp;</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>薄片式激光头</td><td>TRUMPF Scientific Lasers&amp;nbsp;</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>光纤</td><td>Frank Optic Products GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>光纤物镜</td><td>Edmund Optics GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>法拉第隔离器</td><td>Electro-Optics Technology, Inc</td><td>EOT.189.12231</td><td></td></tr><tr><td>法拉第旋转器</td><td>Electro-Optics Technology, Inc</td><td>EOT.189.22040</td><td></td></tr><tr><td>展宽器光栅1</td><td>Horiba Jobin Yvon GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>60*40*10 毫米&amp;sup3;</td></tr><tr><td>展宽器光栅2</td><td>Horiba Jobin Yvon GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>350*190*50 mm&amp;sup3;</td></tr><tr><td>压缩器光栅1</td><td>Plymouth Grating Laboratory, Inc.</td><td>N/A，定制化</td><td>40*40*16 毫米&amp;sup3;</td></tr><tr><td>压缩器光栅2</td><td>普利茅斯光栅实验室公司</td><td>N/A，定制化</td><td>300*100*50 毫米&amp;sup3;</td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （1030 nm），平，0&amp;deg;</td><td>Layertec GmbH</td><td>108060</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （1030 nm），平，0&amp;deg;</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-09965，S-04484</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （1030 nm），平面，45&amp;deg;</td><td>Layertec GmbH</td><td>108063</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （1030 nm），平面，45&amp;deg;</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-09966，S-04484</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （1030 nm），曲面</td><td>Layertec GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>高反射镜，2&quot; （1030 nm），平面，0&amp;deg;</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-09965，S-05474</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，2&quot; （1030 nm），平面，45&amp;deg;</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-09966，S-05474</td><td></td></tr><tr><td>1030 nm 薄膜偏振器，2&quot;</td><td>Layertec GmbH</td><td>103930</td><td></td></tr><tr><td>半波片 L/2（1030 nm）</td><td>Layertec GmbH</td><td>106058</td><td>&amp;Oslash;=25毫米</td></tr><tr><td>四分之一波片（1030 nm）</td><td>Layertec GmbH</td><td>106060</td><td>&amp;Oslash;=25毫米</td></tr><tr><td>AR 窗口（1030 nm），楔形</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-00183-01, S-00988</td><td>&amp;Oslash;=38毫米</td></tr><tr><td>输出耦合器，1&quot; (1030 nm)</td><td>Layertec GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>PR = 88 %</td></tr><tr><td>高色散镜（1030 nm）</td><td>UltraFast Innovations GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>GDD = -3000 fs&amp;sup2;</td></tr><tr><td>透镜，1&quot; (1030 nm)，平凸</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>透镜，1&quot; （1030 nm），平凹</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>透镜，2&quot; （1030 nm），平凸</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>透镜，2&quot; (1030 nm)，平凹</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （515 nm），平面，0&amp;deg;</td><td>Layertec GmbH</td><td>129784</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （515 nm），平面，0&amp;deg;</td><td>Eksma Optics</td><td>042-0515-i0</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （515 nm），平，45&amp;deg;</td><td>Layertec GmbH</td><td>110924</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （515 nm），平面，45&amp;deg;</td><td>Eksma Optics</td><td>042-0515</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （515 nm），曲面</td><td>Layertec GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>高反射镜，1&quot; （515 nm），曲面</td><td>Eksma Optics</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>高反射镜，2&quot; （515 nm），平顶，0&amp;deg;</td><td>Eksma Optics</td><td>045-0515-i0</td><td></td></tr><tr><td>高反射镜，2&quot; （515 nm），平面，45°&amp;deg;</td><td>Eksma Optics</td><td>045-0515</td><td></td></tr><tr><td>515 nm 薄膜偏振片，2&quot;</td><td>Layertec GmbH</td><td>112544</td><td></td></tr><tr><td>半波片 L/2（515 nm）</td><td>Layertec GmbH</td><td>112546</td><td>&amp;Oslash;=25毫米</td></tr><tr><td>透镜，1&quot; （515 nm），平凸</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>透镜，1&quot; （515 nm），平凹</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>克尔介质</td><td>Meller Optics, Inc.</td><td>N/A，定制化</td><td>蓝宝石，1 mm</td></tr><tr><td>BBO 晶体</td><td>Castech Inc.</td><td>N/A，定制化</td><td>7*7*1.5 mm&amp;sup3;</td></tr><tr><td>谐波分离器，1&quot;, 45&amp;deg;</td><td>Eksma Optics</td><td>042-5135</td><td></td></tr><tr><td>谐波分离器，2&quot;, 45&amp;deg;</td><td>Eksma Optics</td><td>045-5135</td><td></td></tr><tr><td>银镜，1&quot;，平面</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>银镜，1&quot;，曲面</td><td>Eksma Optics</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>滤光片 - 吸收型中性密度</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>NE##A</td><td>设置</td></tr><tr><td>滤光片 - 反射型中性密度</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>ND##A</td><td>设置</td></tr><tr><td>滤光片 - 圆形连续可变</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>NDC-50C-4M</td><td></td></tr><tr><td>滤光片 - 边缘通滤光片（长通）</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>FEL####</td><td>设置</td></tr><tr><td>滤光片 - 边缘通滤光片（短通）</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>FES####</td><td>设置</td></tr><tr><td>楔形棱镜</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A，定制化</td><td>设置</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;评论&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;光学机械 &amp;& 运动&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>镜架 1&quot; （小）</td><td>S. Maier GmbH</td><td>S1M4-##-1&amp;rdquo;</td><td></td></tr><tr><td>镜架 1&quot; （大）</td><td>S. Maier GmbH</td><td>S3-##</td><td></td></tr><tr><td>镜架 1&quot;</td><td>TRUMPF Scientific Lasers&amp;nbsp;</td><td>1&quot; 可调的&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>镜架 2&quot;</td><td>S. Maier GmbH</td><td>S4-##</td><td></td></tr><tr><td>镜架 2&quot;</td><td>通快科学激光器&amp;nbsp;</td><td>2&quot; 可调的&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>旋转支架 1&amp;rdquo;</td><td>S. Maier GmbH</td><td>D25</td><td></td></tr><tr><td>旋转支架 1&amp;rdquo;</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>旋转支架 2&amp;rdquo;</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>RSP2/M</td><td></td></tr><tr><td>精密旋转台</td><td>纽波特公司</td><td>M-UTR120</td><td></td></tr><tr><td>四轴衍射光栅支架</td><td>Newport Corporation</td><td>DGM-1</td><td></td></tr><tr><td>翻译阶段</td><td>OptoSigma Corporation</td><td>TADC-651SR25-M6</td><td></td></tr><tr><td>普克尔斯盒装置</td><td>纽波特公司</td><td>9082-M</td><td></td></tr><tr><td>普克尔斯盒支架</td><td>自制</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>皮秒电机控制器/驱动器套件</td><td>Newport 公司</td><td>8742-12-KIT</td><td></td></tr><tr><td>皮秒电机压电线性执行器</td><td>纽波特公司</td><td>8301NF</td><td></td></tr><tr><td>皮秒电机旋转支架</td><td>Newport Corporation</td><td>8401-M</td><td></td></tr><tr><td>手动控制面板</td><td>Newport Corporation</td><td>8758</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;评论&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;光分析&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>光束轮廓相机</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>SP620</td><td></td></tr><tr><td>光束轮廓相机</td><td>DataRay 公司</td><td>WCD-UCD23</td><td></td></tr><tr><td>光电二极管（solw）</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>DET10A/M</td><td></td></tr><tr><td>光电二极管（快速）</td><td>Alphalas GmbH</td><td>UPD-200-SP</td><td></td></tr><tr><td>薄盘相机</td><td>Imaging Development Systems GmbH</td><td>UI-2220SE-M-GL</td><td></td></tr><tr><td>示波器</td><td>Tektronix GmbH</td><td>DPO5204</td><td></td></tr><tr><td>示波器</td><td>Teledyne LeCroy GmbH</td><td>SDA 760Zi-A</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>Avantes</td><td>AvaSpec-ULS3648-USB2</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>海洋光学公司</td><td>HR4C1769</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>海洋光学公司</td><td>HR4C3762</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>海洋光学公司</td><td>HR4D464</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>海洋光学公司</td><td>HR4D466</td><td></td></tr><tr><td>激光热功率传感器</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>L50(150)A-PF-35</td><td></td></tr><tr><td>激光热功率传感器</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>FL500A</td><td></td></tr><tr><td>激光热功率传感器</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>3A-P-V1</td><td></td></tr><tr><td>功率和能量计</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>Vega</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;货号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;评论&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;系统&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>激光束稳定系统</td><td>TEM-Messtechnik GmbH</td><td>对准</td><td></td></tr><tr><td>激光M&amp;sup2; 测量系统</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>M&amp;sup2;-200秒</td><td></td></tr><tr><td>FROG</td><td>自制</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>XFROG</td><td>自制</td><td>N/A，定制化</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;货号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;评论&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;其他&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>冷却循环器</td><td>H.I.B Systemtechnik GmbH</td><td>6HE-000800-W-W-R23-2-DI</td><td></td></tr><tr><td>冷却循环器</td><td>Termotek GmbH</td><td>P201</td><td></td></tr><tr><td>冷却循环器</td><td>Termotek GmbH</td><td>P208</td><td></td></tr><tr><td>激光安全护目镜</td><td>Protect - Laserschutz GmbH</td><td>BGU 10-0165-G-20</td><td></td></tr><tr><td>红外观察仪</td><td>FJW 光学系统</td><td>84499A</td><td></td></tr><tr><td>激光观察卡</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>VRC4</td><td></td></tr><tr><td>激光观察卡</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>VRC5</td><td></td></tr><tr><td>激光观察卡</td><td>Laser Components GmbH</td><td>LDT-1064 BG</td><td></td></tr><tr><td>流量计</td><td>KOBOLD Messring GmbH</td><td>DTK-1250G2C34P</td><td></td></tr><tr><td>压力表</td><td>KOBOLD Messring GmbH</td><td>EN 837-1</td><td></td></tr><tr><td>温度传感器</td><td>KOBOLD Messring GmbH</td><td>TDA-15H* ***P3M</td><td></td></tr><tr><td>WinLase 软件</td><td>Dr. C. Horvath &amp;amp; Dr. F. Loesel</td><td>WinLase 版本 2.1 pro</td><td>激光腔软件</td></tr></tbody></table>

20 mj、1 ps yb:yag 薄盘再生放大器

20 mJ, 1 ps Yb:YAG Thin-disk Regenerative Amplifier

本报告介绍了一台100 W、20 mJ、1 ps的Yb:YAG薄片再生放大器。该系统采用一台自制的Yb:YAG薄片克尔透镜锁模振荡器作为种子源，该振荡器具备即开即用性能和微焦耳量级的脉冲能量，用于注入再生啁啾脉冲放大器。放大器置于密闭外壳中，在室温下运行，以5 kHz的重复频率稳定工作，脉冲间稳定性优于1%。通过使用一块1.5 mm厚的偏硼酸钡（beta barium borate）晶体，将激光输出频率倍频至515 nm，平均功率达到70 W，对应的光-光转换效率为70%。该优异性能使该系统成为近红外和中红外波段光学参量啁啾脉冲放大器理想的泵浦源。结合再生放大器的即开即用特性和卓越稳定性，该系统有助于产生宽带、载波包络相位（CEP）稳定的种子脉冲。由同一激光源同时提供光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）的种子光和泵浦光，消除了对脉冲间主动时间同步的需求。本文提供了基于啁啾脉冲放大（CPA）技术的Yb:YAG薄片再生放大器作为光学参量啁啾脉冲放大器泵浦源的详细搭建与操作指南。

振荡器输出脉冲的参数为：脉冲宽度350 fs，单脉冲能量2 µJ，平均功率25 W，重复频率11 MHz，脉冲能量稳定性为1%（均方根），在1小时测量时间内光束指向波动小于0.6%（图4）。
<img alt="超快光谱示意图；强度与时间关系图，测量值与重构的频率数据。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55717/55717fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图4"> 
图4：Yb:YAG薄片式克尔透镜锁模振荡器。（a）振荡器输出脉冲的光谱（红色）、重构的时间强度分布（蓝色）以及空间分布（插图）。（b）振荡器的实测与重构SHG-FROG谱图。本图经Fattahi et al. 修改，已获参考文献21许可。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55717/55717fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
种子脉冲在再生放大器中被放大至125 W，泵浦源为280 W的940 nm波长连续光纤耦合二极管，对应的光-光转换效率为47%。该放大器的脉冲间稳定性小于1%，连续运行10小时后仍表现出优异的长期稳定性。放大后的光束具有良好的空间轮廓，M2为1（M2x = 1.08，M2y = 1.07），经压缩后脉宽达到1 ps（FWHM）时具有优异的时间轮廓（图5）。
<img alt="激光稳定性与强度分析；图表显示功率、强度和种子能量之间的关系。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55717/55717fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 5"> 
图 5：再生放大器输出特性及增益窄化效应表征。（a）再生放大器在连续运行10小时后的平均功率稳定性。插图：（a-1）0.5小时时间窗口内功率相对于其平均值的归一化结果；（a-2）再生放大器的输出光束轮廓。（b）光栅压缩器后，激光脉冲在100 W平均功率下的放大器输出光谱（绿色）及重构得到的时间强度（蓝色）。（c）在泵浦功率为300 W时，种子能量与放大器输出光谱带宽（FWHM）的关系，以及达到相同平均输出功率所需的往返次数。本图经Fattahi et al. 许可修改自参考文献21。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55717/55717fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
SHG 采用 SISYFOS 代码进行分析25。考虑了两种不同晶体，其参数如下：1）I 类、厚度为 6 mm 的三硼酸锂（LBO），相位匹配角为 13.7°，非线性系数为 0.819 pm/V；2）I 类、厚度为 3 mm 的 BBO，相位匹配角为 23.4°，非线性系数为 2 pm/V26,27。模拟输入条件为：1 ps、20 mJ、波长 1,030 nm 的脉冲，峰值强度为 100 GW/cm2。模拟结果表明，BBO 在 SHG 中的性能优于 LBO（图 6）。
<img alt="非线性晶体中的二次谐波产生效率，图表，强度与波长关系图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55717/55717fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
图6：二次谐波产生。 (a6 mm厚的LBO晶体和3 mm厚的BBO晶体的模拟SHG能量。b) 使用放大器输出为0.5 mJ（黑色）和20 mJ（绿色）时，在1.5 mm厚的BBO晶体中测得的实验SHG效率与输入泵浦峰值强度的关系。c) 重建的光谱强度与 (d) 不同SHG效率下XFROG测量的群延迟，对应于(b)中A、B和C三点。该图已根据Fattahi修改 等, 经参考文献许可21. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55717/55717fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

本文介绍了基于Yb:YAG薄盘再生放大器的高能量、高功率光学参量啁啾脉冲放大泵浦源的操作方案。

20 mJ、1 ps Yb:YAG 薄盘再生放大器

这是一份关于一台100 W、20 mJ、1 ps的Yb:YAG薄盘再生放大器的报告。该系统采用一台自制的Yb:YAG薄盘克尔透镜锁模振荡器，具有即启即用性能和微焦耳量级脉冲能量，作为再生啁啾脉冲放大器的种子源。放大器置于密闭外壳中，在室温下运行，以5 kHz重复频率稳定工作，脉冲间稳定性优于1%。通过使用一块1.5 mm厚的β硼酸钡晶体，将激光输出频率倍频至515 nm，获得70 W的平均输出功率，对应光-光转换效率达70%。该优异性能使该系统成为近红外和中红外波段光学参量啁啾脉冲放大器的理想泵浦源。结合即启即用特性与再生放大器的卓越稳定性，该系统有助于产生宽带、载波包络相位稳定的种子脉冲。由同一激光源同时提供光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）的种子光与泵浦光，可消除对脉冲间主动时间同步的需求。本工作提供了基于啁啾脉冲放大（CPA）技术的Yb:YAG薄盘再生放大器作为光学参量啁啾脉冲放大器泵浦源的详细搭建与操作指南。

本方案的总体目标是展示一种高能量、高功率 Yb:YAG 薄盘再生放大器的设计与操作，该放大器作为用于熔合循环光学参量啁啾脉冲放大器的前端。钇镱 YAG 薄盘激光器与光学参量啁啾脉冲放大器（即所谓的第三代飞秒技术）相结合，使我们有机会同时生成高能量和高平均功率的亚周期至少数周期激光脉冲。本影片中讨论的激光系统的主要优势在于，能够同时实现高平均功率和高峰值功率，且激光脉冲持续时间可短至皮秒量级。尽管该激光器可用作少周期激光器的泵浦源，也可作为其他系统的前端，例如从紫外到中红外宽调谐范围的激光器。这些光学平台承载实验装置的不同阶段。通过示意图可以更清楚地理解各个阶段。请注意振荡器、展宽器、再生放大器和压缩器各阶段的标注。首先关注振荡器阶段。其13米线性腔包含一个铜制硬光阑、蓝宝石作为增益介质，以及一个透射率为13%的输出耦合器。镜片系统包含三个高色散反射镜和两个具有负曲率半径的反射镜。通过光纤耦合的二极管泵浦掺镱钇铝石榴石薄片放大器来激励振荡器。在输出耦合器之后，硼酸钡晶体作为脉冲展宽器阶段的脉冲选择器。脉冲展宽器将种子脉冲在时间上展宽至约两纳秒。随后，脉冲进入再生放大阶段，在此阶段种子脉冲被限制在放大器谐振腔内。腔体包含一个带有硼酸钡晶体的高压普克尔斯盒。再生放大器使用另一块由光纤耦合二极管泵浦的掺镱钇铝石榴石薄盘晶体。最后一级为脉冲压缩阶段，放大后的脉冲在此被压缩至一皮秒。请注意，整个系统中的泵浦二极管、薄盘晶体头和光学平台均需要冷水机进行冷却。首先启动系统的水冷装置，打开振荡器组件的水流和制冷冷水机。从冷却器控制端转向泵浦二极管电源，并将其打开。接着开启泵浦二极管输出。调节电流，以在连续波模式下以940纳米波长泵浦薄盘晶体。此时，准备在脉冲选择器之前观察输出光谱。将光纤连接到光谱仪，并将其置于光束路径中。光谱中心位于1030纳米。观察光谱后，在相同位置用功率计替换光纤。观察连续波模式的输出功率。接下来，切换到脉冲模式运行和锁模状态。在位于平移台上的振荡器镜片上进行操作。通过从背面机械推动平移台来扰动镜片。再次观察脉冲模式启动后脉冲选择器之前的输出光谱。光谱中心位于1030纳米，带宽约为4纳米。接下来，再次观察输出功率。然后准备使用示波器观察输出的脉冲波形。使用适当的衰减器将快响应光电二极管连接至示波器。与之前相同，在脉冲选择器之前进行测量。将光电二极管置于光束路径中。在示波器上调节触发电平旋钮，以稳定重复的波形，并观察输出的脉冲序列。根据此观察结果，利用峰峰值幅度计算脉冲间的稳定性。随后，将光路中的光电二极管替换为光束分析仪。使用光束分析仪软件显示光束轮廓，并进行光束指向稳定性测量。接着开始操作脉冲选择器，首先配置其软件，然后进入电子设备部分。接通脉冲选择器晶体的高压以产生所需的重复频率。在脉冲选择器之后，使用薄膜偏振片来选择脉冲。这些种子脉冲通过光栅展宽器，随后进入再生放大阶段。通过启动冷却系统来准备再生放大器。打开冷却水，并设置激光头和普克尔斯盒的冷水机。在普克尔斯盒计算机上，启动普克尔斯盒软件。前往普克尔斯盒驱动器的电源处，将其打开。然后开启泵浦二极管单元的电源，启动二极管输出。调节电源的电流以放大种子脉冲。接下来，选择压缩器阶段之前的一个位置来观察输出。使用光谱分析仪和光纤观察再生放大器的光谱。完成后，从功率计读取输出功率。在压缩器阶段之前，注意记录此时的功率读数。将光谱分析仪替换为连接至示波器的快速光电二极管。在示波器屏幕上观察脉冲序列，然后确定脉冲间的稳定性。用光束分析仪替换高速光电二极管后，观察输出光束的光斑轮廓，并测量光束指向的波动。放大后，将输出脉冲通过压缩器阶段。此处通过带电动旋转安装座的半波片完成。调节支架的控制装置，使数瓦的激光功率通过。在光路的下一个位置，放置并调整好光束稳定器。开启稳定器后，使用其软件锁定激光束，避免光束漂移。现在，返回至半波片，并让全部放大器输出通过。脉冲将进入压缩阶段，被压缩至一皮秒。最终的光学元件在此示意图中表示。在压缩器阶段之后，准备用于参量啁啾脉冲放大的光束。在光学平台上，使用望远镜系统对光束进行准直并调节光束尺寸。通过光束分析仪获取光束特性的反馈信息。将基频光束导入非线性晶体以产生二次谐波。将谐波分离器以45度角放置，以分离二次谐波光束与基频光束。使用光束分析仪观察二次谐波光束的高斯光束轮廓，以及未转换的基频光束的轮廓。这是再生放大器的输出光束轮廓。种子脉冲在280瓦连续波泵浦下被放大至125瓦。再生放大器输出功率随时间变化的曲线图展示了系统在45%光学效率下运行时的稳定性。此处，放大器光谱以绿色绘制，并对应于图表顶部的横坐标轴。压缩至1皮秒（半高全宽）后的时域强度通过下方的横轴以蓝色曲线表示。这两条曲线给出了在1.5毫米厚的硼酸钡晶体中，二次谐波产生效率随输入泵浦峰值强度变化的实验结果。黑色曲线对应放大器输出0.5毫焦的条件。绿色曲线对应放大器输出的20毫焦能量。标为A、B和C的点表示在不同峰值强度下的不同二次谐波产生效率。以下是各标注值对应的检索光谱强度图。A 用红色表示，B 用橙色表示，C 用蓝色表示。该激光器与宽带光学参量放大器或高次谐波产生系统结合后，可实现阿秒脉冲或更高能量和平均功率的飞秒脉冲。这些参数为研究人员探索例如快速时间尺度下的光驱动电子学等领域开辟了崭新时代。观看本视频后，您应该能够充分理解高功率、高能量的镱:YAG薄片激光器的设计与操作原理。请务必注意，操作高能量、高功率激光器具有极高的危险性，且对灰尘极为敏感。因此，在操作该激光器时，必须始终采取安全防护措施，例如佩戴护目镜和穿戴洁净室防护服。

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科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

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了解Yb:YAG薄盘再生放大器的设计与操作方法，用于产生高能量皮秒激光脉冲。本方案详细展示振荡器、展宽器、再生放大器及压缩器各阶段的搭建流程与关键参数测量技术。

20 mJ、1 ps Yb:YAG 薄盘再生放大器

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