导 读
高功率超快激光振荡器在基础科学、工业生产、生物医学以及国防安全等领域都有着十分重要的应用。碟片技术是目前产生高功率大能量超快激光的主要手段之一，利用超快碟片振荡器能够直接产生平均功率在百瓦量级的飞秒激光脉冲。受限于碟片增益介质较窄的增益带宽，输出的激光脉冲宽度一般在百飞秒量级。更短的脉冲宽度是超快碟片激光振荡器始终追求的主要目标之一。突破增益带宽的限制将使超快碟片激光振荡器输出脉宽进一步缩短，为高平均功率周期量级超短脉冲的产生奠定基础。
引用格式（点击阅读原文）：Jinwei Zhang, Markus Pӧtzlberger, Qing Wang, Jonathan Brons, Marcus Seidel, Dominik Bauer, Dirk Sutter, Vladimir Pervak, Alexander Apolonski, Ka Fai Mak, Vladimir Kalashnikov, Zhiyi Wei, Ferenc Krausz, Oleg Pronin, "Distributed Kerr Lens Mode-Locked Yb:YAG Thin-Disk Oscillator", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9837892, 8 pages, 2022.
DOI：doi.org/10.34133/2022/9837892
正 文
以克尔透镜锁模（KLM）和半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模为代表的被动锁模技术是目前实现超短脉冲激光输出最常用的方式。尽管可以通过采用更低透过率的输出耦合镜以及光谱滤波等方法突破增益介质带宽（FWHM）对脉冲宽度的限制，但这些方法也极大地降低了振荡器的输出功率。华中科技大学张金伟教授与德国马普量子光学所Ferenc Krausz教授、德国汉堡联邦国防军大学Oleg Pronin教授、中国科学院物理研究所魏志义教授等组成的联合研究团队发明了一种级联克尔透镜锁模方法。通过在高功率碟片激光振荡器中增加自振幅调制深度，极大地增强了克尔效应，从而使锁模光谱突破了增益介质带宽（FWHM）的限制，在合适的色散补偿下获得了更短脉宽的激光输出。
在众多碟片增益介质中，Yb:YAG由于其优异的光学及物理特性，成为当前最成熟的碟片介质。然而其光谱带宽（FWHM）只有9nm左右，支持的最短激光脉冲宽度为120fs。根据模拟锁模脉冲振荡的复Ginzburg-Landau方程，在将克尔透镜锁模当作快可饱和吸收体并假设增益线型为高斯型的情况，脉冲宽度的平方与锁模器件的调制深度存在反比关系，因此增加锁模器件的调制深度可以使振荡器输出的脉冲宽度更短，甚至突破光谱带宽（FWHM）对脉宽的限制。
图1：DKLM Yb:YAG碟片振荡器的示意图
采用级联克尔透镜锁模方法可以实现这一目的。实验中在两个凹面镜组成的望远镜系统焦点位置处插入一个蓝宝石片作为主要克尔介质，用以提供克尔透镜锁模所需要的自聚焦效应以及自振幅调制。如图1所示，在谐振腔光斑尺寸较小的一臂中加入多个额外的克尔介质，同时调节振荡器谐振腔运转的稳区位置，使其更加靠近稳区边缘，使得自振幅调制深度大大增加，克尔透镜锁模之后的光谱范围获得大幅度拓宽。根据增加的克尔介质的数量的多少，可以获得脉冲宽度50fs至200fs、平均功率几瓦至50W的不同参数脉冲激光输出。图2中左图为随着级联克尔介质数量的增加，振荡器所产生光谱的变化情况，可见随着调制深度的增加，光谱越来越宽。中间图展示了最终输出的光谱与Yb:YAG增益光谱的比较，振荡器输出的光谱宽度可以达到35nm，是Yb:YAG晶体增益带宽（FWHM）的3倍多。右图为测量得到的脉冲宽度，通过FROG测量的结果为47fs。
图2.脉冲特性
总 结 展 望
级联克尔透镜锁模为飞秒激光振荡器直接产生高功率、短脉宽超快激光提供了一种新的方法。该方法将会有助于进一步拓宽飞秒激光振荡器的光谱并获得更窄的脉冲宽度。
作 者 介 绍
张金伟
ZHANG JINWEI
华中科技大学教授，国家级人才计划入选者。在Nature Photonics、Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews等期刊上发表论文20余篇，申请并已授权美国专利1项。主要研究方向包括高功率1μm及2μm超快碟片激光振荡器、超快碟片激光放大器、激光光场调控、非线性频率变换以及中红外光学频率梳等。
Oleg Pronin
德国汉堡联邦国防军大学教授。在Nature、Nature Photonics、Nature Communications、Light: Science&Applications、Laser&Photonics Reviews 等期刊上发表论文30余篇，申请授权专利5项。主要研究方向包括孤子锁模、高功率1μm及2μm超快碟片激光器、宽带中红外光学频率梳、非线性光谱展宽以及周期量级超短脉冲产生等。
