超短脉宽飞秒振荡器

近日，北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）全光量子源团队开发完成了国内首台产品级高功率飞秒振荡器——Fermion-007。该产品弥补了国内瓦量级飞秒振荡器的产品空白，在国际上仅有立陶宛Light Conversion等少数几家公司具有相当技术指标的产品。Fermion-007采用了多项创新技术，仅一级振荡器即可输出大于7W、重频80MHz的飞秒脉冲激光，其指标、可靠性均达到国际先进水平。目前，研发团队已接到超快电镜应用领域的商业合作订单。作为产生飞秒脉冲激光的“种子”，超快飞秒振荡器（Ultrafast femtosecond oscillator）具有高重频、高光束质量等优势，但输出功率普遍较低，往往需要对其进行功率放大以满足应用需求。然而，这种“振荡器+放大器”的技术路线会大大增加系统复杂度，导致成本变高、可靠性变差，从而限制了飞秒激光的受众范围。此外，超快电镜、飞秒双光子显微成像等应用对激光重复频率也有较高要求，因此，高功率飞秒振荡器成为相关领域的急需产品。飞秒振荡器主要分为光纤和固体两大类。固体振荡器虽然技术难度较高，但最高输出功率比光纤高3个量级，且具有更高重频和更长的锁模器件寿命，是满足应用需求的最佳技术方案。二者的具体对比见表1。表1 光纤、固体飞秒振荡器参数对比光纤飞秒振荡器固体飞秒振荡器直接输出功率百pW至mW量级几十mW至W量级最高重复频率百MHz几GHz飞秒锁模方式/器件寿命SESAM/3个月1. SESAM/3个月2. 克尔透镜锁模/无寿命问题技术难度技术门槛较低。基于标准化光纤器件、光纤熔接机设计、生产。技术门槛较高。对于腔型设计、调试经验、工程化等均有要求较高。对于产品商业化而言，工程水平的高低起决定作用。定制化程度激光器结构、指标类似，激光表现主要依赖于光纤、熔接仪器等的上游器件的性能。结构灵活性好，适合针对应用定制功率、重频、脉宽、中心波长等指标国内商业化现状5-10家商业化公司目前尚无商业化公司基于上述应用需求和技术路线分析，北京量子院开发了Fermion系列高功率全固态（DPSS）飞秒振荡器。在不需要额外放大的情况下，Fermion-007可直接输出大于7W、80MHz的飞秒脉冲激光，脉冲宽度~120fs，中心波长1035nm。此外，输出激光还具有优异的光束质量和长期稳定性，两维M2小于1.2，12小时连续运转功率均方根值小于0.3%。图1 Fermion-007 光谱及脉冲宽度测量图2 Fermion-007 光束质量及长期稳定性工程化是激光器从实验样机蜕变成可用产品的核心环节。Fermion-007采用了低热阻晶体封装、一体化密封、温湿度负反馈控制等多项工程技术，并对腔体、冷却模组的设计进行了模拟优化，以降低高泵浦热量对激光器运行环境的不利影响。激光器采用克尔透镜锁模（Kerr-lens mode locking）作为飞秒脉冲产生、维持的机制，相比可饱和吸收体（SESAM）具有更长的寿命和更高的器件可靠性。此外，研发团队首次将新型“射频同步技术”应用到Fermion-007中，用以自启动及维持飞秒锁模状态，从根本上克服了克尔透镜锁模飞秒振荡器长期存在的“失锁”问题。图3 Fermion-007 机械热分布及水路的模拟高功率飞秒振荡器在双光子显微成像、光参量泵浦等领域应用广泛。近年来，随着相关技术的发展，超快电镜、超快电子衍射等标准化仪器对此类激光器的市场需求也在迅速提升。超快电子显微镜（Ultrafast electron microscopy(UEM)）是由传统电镜升级改造而成的高端分析仪器，“飞秒激光驱动光阴极”系统是其新增的核心模块。升级后的超快电镜除了拥有原子尺度的空间分辨率外，还具有飞秒-皮秒尺度的超高时间分辨率，由此成为研究材料动力学过程的有力工具。图4 Fermion系列产品在超快电镜中的应用研发团队与相关系统商开展了新型超快电镜开发的前沿合作，首次提出利用飞秒振荡器产生高重频的超快电子，以降低激光脉冲对光阴极造成的损伤风险。该方案有望从根本上解决此类仪器长期存在的光阴极可靠性问题，提高超快电镜产品的使用寿命和市场竞争力。据合作系统商的预估，超快电镜未来3年总市场需求量可达到50台/年。研发团队简介高功率飞秒振荡器是量子院全光量子源团队于子蛟助理研究员主导完成的研究项目。全光量子源团队于2020年由鲁巍教授组建，隶属于北京量子院技术产业开发中心。团队致力于打造支撑量子产业相关的关键激光设备，包括超快超强激光装置（TW-PW系统）、激光加速桌面光源及应用、新型高端科研飞秒激光器的前沿技术研究、产品研发及产业化落地。

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