高峰值功率和高重复频率的超快2 μm激光器有着重要的应用前景，可以用于产生中红外光、高次谐波、太赫兹。此外，可用于加工硅这类仅在长波段透明的材料。传统用于产生该波段激光的手段是光参量放大，但该方法效率较低，重频受限。相比之下，使用掺铥或掺钬增益介质的放大手段，因结构简单、效率较高有着更明朗的前景。尽管掺铥光纤放大器能获得很高的功率输出，但由于1.95 μm波段位于水蒸汽的强吸收峰上，该放大器的光束相位和空间光束质量都会受到影响。百kHz重复频率的钬放大器下常使用Ho:YLF和Ho:YAG作为增益介质。但这类晶体因其较窄的增益光谱，导致放大后增益窄化效应加剧，仅能压缩至数皮秒级。Ho:CALGO晶体因具有宽而平坦的增益曲线，能实现亚皮秒级脉冲放大。本文介绍了一种采用Ho:CALGO晶体的2.1 μm高功率宽带再生放大器，并在该波段首次使用多通腔作为非线性压缩装置[1]。

实验装置如图1所示，种子源可输出平均功率为95 mW、重复频率为70.3 MHz的280 fs脉冲。脉冲经Treacy型光栅对提供-22 ps²群延迟色散，展宽至200 ps，随后经过薄膜偏振器、法拉第旋转器和半波片后进入再生放大器腔内。作者通过仿真模拟工作在100 kHz下的再生放大器，确定最佳的脉冲往返次数为28次，此时总共仅提供-0.31 ps²的群延迟色散。在71 W的1908 nm泵浦下，再生放大器输出平均功率为11.2 W（脉冲能量为112 μJ）的放大脉冲，之后通过Martinez型光栅对补偿正色散，得到了峰值功率为107 MW的750 fs脉冲。

图1 再生放大器与MPC压缩的实验装置[1]

在非线性压缩阶段，脉冲通过模式匹配耦合进入多通腔。由于光束和镜片尺寸限制，输入功率被限制在8 W以下。多通腔由两块曲率半径为200 mm的两英寸凹面镜和一块5 mm厚镀增透膜的YAG板组成。脉冲在多通腔里通过自相位调制效应实现频域展宽，在多通腔内往返13次后光谱展宽为2000-2150 nm，如图2(c)所示。最后，脉冲通过四次经过3块YAG板，共补偿-15500 fs²的群延迟色散实现时域压缩。本文通过FROG测量脉冲的时域特性，如图2(a)和2(b)所示。图2(d)展示了从FROG中恢复得到脉冲时域图，测得脉冲宽度为97 fs，与变换极限脉冲的脉宽91 fs比较接近。此时，该实验装置输出脉冲的峰值功率为525 MW，脉冲能量为72 μJ，平均功率为7.2 W，其光斑在x和y轴的M²均小于1.1。

最后作者采用焦距为8 mm、数值孔径为0.4的反射式物镜在空气中聚焦脉冲，并使用CCD拍摄产生在物镜工作距离内的等离子体荧光图像，如图2(e)所示。此外，本文使用电容式等离子体探针测量下微等离子体周围的离子电荷作为二次验证，证实了空气的电离现象。

图2 非线性压缩后的脉冲特性(a)测量(b)恢复的FROG轨迹；(c)测量（蓝色）和恢复（红色）的光谱和相位（绿色）；(d)恢复（红色）和变换极限脉冲（黑色）的时域图和相位（绿色）；(e)产生等离子体的实验装置（左）和等离子体荧光的CCD图像（右）[1]

综上所述，本文开发了基于Ho:CALGO晶体和啁啾脉冲放大结构的2.1 μm宽带再生放大器，实现了目前为止在100 kHz下最高平均功率和峰值功率的钬放大器。该装置可输出平均功率为11.2 W、脉冲能量为11.2 μJ的750 fs脉冲，经非线性压缩为97 fs脉冲，峰值功率提升至525 MW（可电离空气）。该激光系统有望作为高功率二次辐射源的驱动光源，可用于产生高效率、超高带宽的太赫兹。

参考文献：

[1] Suzuki A, Kassai B, Wang Y, et al. High-peak-power 2.1 µm femtosecond holmium amplifier at 100 kHz[J]. Optica, 2025, 12(4): 534. DOI:10.1364/OPTICA.551883.

       原文标题 : 超快非线性光学技术之七十 高峰值功率飞秒掺钬再生放大器