摘要：飞秒激光犹如一把精度极高的“光刻刀”，在精密加工、医疗手术、光谱探测和科学研究中有着不可替代的作用。特别是2 μm波段的飞秒激光，其涵盖了多种分子的振动能级并与多种氨基化合物及生物组织的吸收峰重叠，因其在非金属材料加工、生物医疗等领域的应用需求尤为迫切。
飞秒激光放大面临的挑战
飞秒激光犹如一把精度极高的“光刻刀”，在精密加工、医疗手术、光谱探测和科学研究中有着不可替代的作用。特别是2 μm波段的飞秒激光，其涵盖了多种分子的振动能级并与多种氨基化合物及生物组织的吸收峰重叠，因其在非金属材料加工、生物医疗等领域的应用需求尤为迫切。
然而，将微弱的飞秒激光种子放大到高功率却异常困难。关键在于放大过程中飞秒脉冲极高的光强会与放大介质发生较强的非线性作用，以及高重频下严重的热效应问题均会导致光束质量变差、脉冲畸变甚至损坏光学元件。现有解决方案主要是采用“啁啾脉冲放大（CPA）”技术，即先把脉冲在时间上展宽（降低峰值功率），将激光的能量放大到一定程度后再压缩回去，但该系统结构复杂、昂贵且庞大。因此，能否省去展宽、压缩步骤，实现2 μm飞秒脉冲的“直接放大”，在保证结构简单和紧凑同时仍能表现出较强的功率处理能力成为放大技术领域内的研究热点。
基于“离散式”SCF的飞秒激光放大器
近日，山东大学晶体材料全国重点实验室王剑磊、赵永光等研究者提出了一种创新的B积分（非线性相移）管理策略，通过在功率放大级采用离散单晶光纤（single crystal fiber, SCF）构型，成功实现了2 μm飞秒脉冲在高重复频率下的直接放大。该系统在75.45 MHz重复频率下获得了平均功率>56 W的飞秒激光输出，并实现了极高的光光提取效率（>55%）和近衍射极限的光束质量（M²
成果发表在High power Laser Science and Engineering 2025年第4期的文章(Jianlei Wang, Yongguang Zhao, Ning Zhang, Wenlong Wei, Chun Wang, Haohai Yu, Valentin Petrov, Huaijin Zhang, "A B-integral management strategy in discrete single-crystal fibers: towards direct power scaling of femtosecond sources near 2 μm," High Power Laser Sci. Eng. 13, 04000e53 (2025))。
该Ho:YAG SCF放大系统结构如图１所示，包括激光种子源、预放大级和放大级（包括3根串联排列的0.5%掺杂 Ho:YAG SCFs）。其中激光种子源在2091 nm时对应的平均功率为0.45 W、时域脉冲宽度为360 fs、重复频率为75.45 MHz，经过预放大级及串联SCF功率放大级后平均功率为56.3 W、时域脉冲展宽到778 fs。整个放大系统最终输出脉冲的光谱特性及时域演化特性如图2所示。
图1 Ho:YAG SCF放大系统原理图
图2 Ho:YAG SCF放大系统的光谱与时域演化过程
传统放大技术中，直接放大飞秒脉冲时，强非线性相移引发的自聚焦效应会导致脉冲畸变与光束劣化，迫使块状/光纤放大器仅能在皮秒脉冲范围工作。为此通常需要基于脉冲展宽和压缩的啁啾脉冲放大系统，其中光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）系统虽能实现kHz重频下毫焦级脉冲能量，但受热效应限制，平均功率及效率提升困难，而光纤的CPA系统尽管在高平均功率和高光束质量方面具有明显优势，但输出能量/峰值功率受到非线性效应和光学损伤的限制。因此，现有技术难以兼顾功率、重频以及脉宽三大性能指标。本研究创新提出离散Ho:YAG SCF串联构型，通过分段切断非线性相移连续累积路径，降低放大系统总B积分，平衡SCF长度与自聚焦长度，规避自聚焦风险。研究通过采用离散单晶光纤结构，成功攻克了2 μm飞秒激光放大领域中长期存在的非线性效应抑制与效率提升难题，以高效、结构简洁的放大方案实现了显著的激光性能突破。
总结与展望
这项工作演示了一种直接放大2 μm飞秒激光的技术方案，为开发紧凑、高效、高性能的2 μm超快激光器提供了新的技术路线。后续工作将进一步结合脉冲选取和后期压缩技术向更高单脉冲能量和更短脉冲宽度的目标迈进。
团队简介
该工作通讯作者为山东大学晶体材料研究院全国重点实验室赵永光教授、于浩海教授，山东大学信息学院王春教授。于浩海教授团队长期从事激光技术与非线性光学晶体生长和应用研究，在中红外超快激光、涡旋光产生及放大、光电功能晶体等领域具有深厚积累。近年来团队在Nature physics、Nature communications、Light-Science & Applications、Laser & Photonics Reviews、Optics Letters、High Power Laser Science and Engineering 等国际期刊上发表论文50余篇。团队研究成果获国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省自然科学基金等支持，相关技术已布局多项国内国际专利。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来自：激光评论
来源：江苏激光联盟
