突破2.1μm激光技术瓶颈!100kHz飞秒钬放大器实现525MW峰值功率,开启等离子体应用新篇
在短波红外激光领域,2.1μm波长因恰好落在大气透明窗口内,既能避免近红外材料加工的“不透明困境”,又能支撑等离子体驱动的二次辐射源研发,一直是高功率超快激光技术的核心攻关方向。然而长期以来,该波长区域的飞秒激光系统始终面临“高重复频率与高峰值功率难以兼顾”“脉冲宽度受限多皮秒”“传输中光束质量退化”三大痛点——直到德国波鸿鲁尔大学AnnaSuzuki团队的最新研究,为这些难题提供了突破性解决方案。
近日,该团队在国际顶级期刊《Optica》发表研究,成功研发出一款100kHz重复频率的2.1μm飞秒钬放大器。这套系统不仅实现了97fs超短脉冲输出,更将峰值功率推至525MW,填补了传统110kHz放大器与高功率MHz振荡器之间的技术空白,为2μm波段激光的实际应用打开了全新空间。

技术痛点:2.1μm激光的“两难困境”
在2.1μm激光技术发展中,科研人员曾长期陷入“参数取舍”的困境。传统方案中,用于该波段的光源多依赖“近红外激光器泵浦光参量放大器(OPA)”,但这类系统效率低、重复频率受限,且复杂的时空耦合会导致能量密度大幅降低,难以满足高功率应用需求。
即便后来出现的掺铥光纤放大器,也因1.95μm的工作波长遭遇“水汽吸收陷阱”——在高功率传输中,光束的相位和空间质量会显著退化,无法支撑长距离或高精度场景。而早期的钬基放大器(如Ho:YLF、Ho:YAG)虽能覆盖2.1μm波长,却受限于增益谱线窄、增益窄化效应强,脉冲宽度多卡在“多皮秒”级别,若想压缩至亚皮秒,需额外增加复杂的脉冲整形器,不仅导致能量损失,还会增加系统复杂度。
这些痛点的核心症结,在于缺乏兼具“宽增益谱”“低非线性损耗”“高热稳定性”的增益材料,以及能高效平衡“重复频率”与“脉冲能量”的放大架构。
核心突破:Ho:CALGO晶体+CPA架构,解锁参数上限
AnnaSuzuki团队的创新,恰恰从“材料”和“架构”两大核心环节突破。
材料革新:Ho:CALGO晶体的“宽带优势”
团队选择的掺钬CALGO(Ho:CALGO)晶体,是此次技术突破的“关键钥匙”。与传统Ho:YLF、Ho:YAG晶体相比,Ho:CALGO因无序晶体结构带来“非均匀光谱展宽”,形成了宽且平坦的增益谱——这一特性直接解决了“增益窄化”难题,无需额外的光谱整形技术,就能天然支撑亚皮秒脉冲放大。
不仅如此,Ho:CALGO还继承了钬基材料的固有优势:2.1μm工作波长完美匹配大气透明窗口,便于功率缩放与光束传输;数毫秒级的长上能级寿命赋予其强大的储能能力;且可由商用1.9μm掺铥光纤激光器泵浦,小于10%的量子亏损能有效降低热负荷,为高平均功率运行奠定基础。
架构优化:CPA+多通池,平衡“功率”与“脉宽”
为充分发挥Ho:CALGO的优势,团队设计了“锁模振荡器+再生放大器(CPA)+赫里奥特型多通池非线性压缩”的三级架构,实现了参数的全面跃升:
1.种子光生成:采用自制的半导体可饱和吸收镜锁模Tm,Ho:CLNGG振荡器,输出280fs、1.35nJ的种子脉冲,为后续放大提供高质量初始信号;
2.再生放大(CPA方案):以Ho:CALGO为增益介质,通过“特雷西光栅对”将种子脉冲拉伸至200ps(避免放大过程中的非线性损伤),再经28次往返放大后,实现11.2W平均功率、112μJ脉冲能量的输出,光光转换效率达36%;
3.非线性压缩:引入赫里奥特型多通池(内置YAG薄片),利用自相位调制实现光谱展宽(覆盖20002150nm),再通过YAG薄片补偿残余啁啾。最终,脉冲宽度被压缩至97fs,峰值功率飙升至525MW,且光束质量M²<1.1,传输效率高达90%。
这套架构的精妙之处在于:通过CPA技术平衡“高重复频率”与“高脉冲能量”,再借助多通池压缩实现“超短脉宽”与“高峰值功率”的兼顾,全程无需复杂的辅助模块,既保证了系统简洁性,又提升了稳定性。
性能验证:大气中产生微等离子体,剑指二次辐射源
为验证系统的实际应用潜力,团队开展了“环境空气微等离子体生成”实验——这是评估激光能量密度与峰值功率的核心指标,也是等离子体驱动二次辐射源(如太赫兹源)的关键前置技术。
实验中,团队用焦距8mm、数值孔径0.4的反射显微镜物镜聚焦激光,以72μJ、97fs的脉冲在空气中激发微等离子体。通过CCD相机清晰捕获到等离子体荧光,同时电容式探针测量到的离子电荷电流,比噪声水平高一个数量级——这一结果直接证实:该系统具备足够高的峰值强度,可有效电离空气,为后续研发“超宽带高效率太赫兹源”“高次谐波产生装置”等二次辐射源提供了核心驱动能力。
技术意义:填补空白,开启2.1μm激光应用新场景
这款100kHz飞秒钬放大器的诞生,不仅刷新了2.1μm波段的参数纪录(100kHz重复频率下最高平均功率、最高峰值功率),更重要的是填补了“110kHz传统放大器”与“MHz高功率振荡器”之间的技术断层,为2.1μm激光从“实验室”走向“实际应用”搭建了桥梁。
在应用层面,其潜力已清晰可见:
材料加工:针对硅等“仅长波长透明”的材料,97fs超短脉冲可实现高精度、低热损伤的微加工,适用于半导体芯片制造等场景;
二次辐射源:525MW的峰值功率可驱动高效太赫兹源、高次谐波产生,为光谱分析、无损检测、通信等领域提供新工具;
遥感与医疗:2.1μm波长的大气传输优势,使其可用于远距离激光遥感;而低水汽吸收特性,也为医疗领域的深层组织切割、消融提供了可能。
未来,团队还计划进一步优化系统:将泵浦源波长调整至Ho:CALGO的峰值吸收波长(1950nm)以提升效率,同时采用圆盘或薄片结构的增益晶体增强冷却效果,进一步突破功率上限。可以预见,随着这些优化的推进,2.1μm飞秒激光将在更多高功率、高精度场景中发挥核心作用,成为激光技术领域的“新增长极”。
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