Fastlite公司高功率中紅外OPCPA系統(tǒng) 

Starzz

     近幾年來，由于高次諧波(HHG)和阿秒科學(xué)的廣大應(yīng)用前景，極大地促進(jìn)了高平均功率、短脈寬、中紅外波長(zhǎng)激光系統(tǒng)的發(fā)展。一方面，由于較長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光驅(qū)動(dòng)脈沖有更高的有質(zhì)動(dòng)力勢(shì)，可以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生更高能量的光子，因此利用較長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外乃至中紅外超短超強(qiáng)激光脈沖與物質(zhì)相互作用，可以拓展產(chǎn)生高次諧波（HHG）的截止頻率，產(chǎn)生更高能量和更短波長(zhǎng)的紫外乃至X射線波段光子，在水窗波段X射線激光乃至更短波長(zhǎng)激光等前沿研究領(lǐng)域具有重要意義。另一方面，由于激光驅(qū)動(dòng)脈沖波長(zhǎng)的增加，導(dǎo)致渡越時(shí)間的增加，由于電子波包的量子散射機(jī)制而降低高次諧波的產(chǎn)生效率，因此大約1- 5微米的中紅外高功率超短脈沖激光被認(rèn)為是與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生寬帶高能X波段高次諧波的理想光源，也是進(jìn)一步獲得單個(gè)紫外和軟X射線波段阿秒脈沖激光光源的理想驅(qū)動(dòng)源，在阿秒物理研究和產(chǎn)生“水窗” 波段X 射線相干輻射等前沿應(yīng)用研究中具有重要意義。為了同時(shí)得到窄脈沖寬度，CEP相位鎖定和波長(zhǎng)可調(diào)諧的特性，光學(xué)參量啁啾脈沖放大(OPCPA)是唯一可行的技術(shù)方案。

     Fastlite公司高功率中紅外OPCPA系統(tǒng) Red & Black Starzz便是基于此方案的商品 化飛秒光源。

     OPCPA基本原理是A. Dubeitis等人于1992年提出的，如下圖1所示。超短脈沖(fs) 先經(jīng)過展寬器將其脈沖在時(shí)間上展寬到皮秒(ps)或納秒(ns)量級(jí)，然后基于光參量放大 技術(shù)（OPA）將展寬后的脈沖能量放大，最后再用壓縮器將展寬脈沖壓縮回超短脈沖 (fs)。這樣可以避免在放大脈沖過程中非線性晶體，光學(xué)鏡片等光學(xué)元件損傷。

     中紅外OPCPA系統(tǒng) Red & Black Starzz中，所謂Red，是指相對(duì)短波的部分，可 以輸出平均功率20W，中心波長(zhǎng)范圍在1.4-1.75um可調(diào)諧，CEP穩(wěn)定且100kHz高重頻 的近紅外脈沖；所謂Black，是指相對(duì)長(zhǎng)波的部分，可以輸出平均功率15W，中心波長(zhǎng) 范圍在2.5-4.0um可調(diào)諧，CEP穩(wěn)定且100kHz高重頻的中紅外脈沖。

     該激光系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)： 

     1. 工業(yè)級(jí)Yb激光作為泵浦源和種子源。不同于鈦寶石激光器，工業(yè)級(jí)半導(dǎo)體泵浦的 Yb激光具有高重頻和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，尤其適用于OPCPA的泵浦源。 

     2. 被動(dòng)光同步。該OPCPA的種子脈沖先由泵浦脈沖在固體介質(zhì)中產(chǎn)生的紅外超連續(xù)譜（SC），然后與泵浦光發(fā)生差頻過程(DFG)產(chǎn)生(2.5-4.0um). 所以，其信號(hào)光和泵浦光是同源的，可以消除信號(hào)光和泵浦光的同步抖動(dòng)，且得到CEP穩(wěn)定的 閑置光。 

     3. 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該OPCPA裝置的信號(hào)脈沖產(chǎn)生，放大和壓縮等部分，均使用塊狀固體材料，該裝置及其輸出能量和光譜都很穩(wěn)定。 

     4. 色散精確控制。該OPCPA裝置的前端使用了一臺(tái)超高速100kHz可編程聲光調(diào)制 器(LN-AOPDF)，可以調(diào)控SC的光譜相位，在整個(gè)OPCPA系統(tǒng)中獲得最佳的色散控制和補(bǔ)償，得到最好的壓縮脈寬。 

     5. CEP精確控制。該OPCPA裝置中，上述LN-AOPDF可以結(jié)合CEP測(cè)量裝置組成 CEP反饋穩(wěn)定系統(tǒng)(DAZZLER--Fringeezz)，實(shí)現(xiàn)CEP長(zhǎng)時(shí)間的主動(dòng)穩(wěn)定(65 mrad RMS @8h)。到目前為止，該CEP穩(wěn)定性在同類產(chǎn)品中仍保持著世界第一水平。

     下面我們對(duì)該激光系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹：

     圖2和圖3分別是Red & Black Starzz的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和光路圖。Red & Black Starzz系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成：外置泵浦源(Dira-200, 200W, 100kHz, 1030nm)，OPCPA前端放大器(4W, “front-end”)【4】，OPCPA主放大器 (15W, “booster”)和脈沖綜合診斷系統(tǒng)。

     泵浦源：任一脈寬<2ps的高重頻Yb放大器，代表產(chǎn)品為Trumpf的Dira系列和 Amplitude的Tangerine系列。這里以Dira-200為例，其輸出平均功率 200W@100kHz，中心波長(zhǎng)1030nm (Dira-200, TRUMPF Scientific Lasers) ， 脈沖半高寬1.1ps； 

     種子源：為了獲得精確的時(shí)間同步和消除延時(shí)抖動(dòng)，這里使用紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生 技術(shù)，用接近1W的泵浦光聚焦在YAG晶體上，得到1.3-1.9um的寬帶且穩(wěn)定的超 連續(xù)譜(SC)； 

     LN-AOPDF: 色散和CEP控制的核心元件?？梢钥刂芐C的相位，使信號(hào)光和泵 浦光的脈沖寬度完美匹配；可以選擇SC的帶寬和波形；可以預(yù)補(bǔ)償后期光學(xué)元 件引入的高階色散；可以與2f-to-f干涉儀及Fringeezz組成主動(dòng)CEP控制和穩(wěn)定系 統(tǒng)等； 

     DFG：(MgO:PPLN, 準(zhǔn)相位匹配)。產(chǎn)生可調(diào)諧的寬帶中紅外光2.5-4.0um；并實(shí) 現(xiàn)其被動(dòng)CEP穩(wěn)定(“self-seeded DFG”); 

     OPA2&3: 前端放大器，[email protected]，100kHz； 

     OPA4：主放大器，[email protected]，100kHz； 

     壓縮器：在20mm硅板中進(jìn)行色散補(bǔ)償，得到15.2W，[email protected]， 100kHz； 

     環(huán)境：整個(gè)OPCPA系統(tǒng)內(nèi)部充干燥空氣或氮?dú)?，防止中紅外波段水蒸氣和CO2 對(duì)紅外特定光譜的吸收；點(diǎn)擊了解更多飛秒激光器產(chǎn)品類型 

     由于整個(gè)OPCPA過程，所有的色散控制元件均使用塊狀固體材料。所以，該OPCPA系 統(tǒng)極其穩(wěn)定。如，連續(xù)運(yùn)行8小時(shí)，其能量穩(wěn)定性為0.6% RMS(1s)。

     另外，通過2f-to-f方法配合一臺(tái)快速條紋探測(cè)器(Fringeezz, Fastlite)測(cè)量 輸出脈沖的CEP，與LN-AOPDF (Dazzler)構(gòu)成閉合回路，可以實(shí)現(xiàn)CEP主動(dòng)控制穩(wěn)定(@10kHz)。如圖4, 5. 沒有進(jìn)行CEP主動(dòng)控制時(shí)，其CEP穩(wěn)定性 為344 mrad RMS；CEP主動(dòng)控制時(shí)，其CEP穩(wěn)定性為76 mrad RMS；且超過8小時(shí)沒有產(chǎn)生CEP漂移。到目前為止，該記錄依然沒有被其它同種類型的放大系統(tǒng)打破。

圖5. CEP被動(dòng)穩(wěn)定性(without feedback loop)和CEP主動(dòng)控制穩(wěn)定性(with feedback loop)

     總結(jié)：Starzz系列產(chǎn)品，以其高重頻100kHz，長(zhǎng)波長(zhǎng)3.2um且可調(diào)諧，高功率 15W，短脈寬4-cycle，長(zhǎng)時(shí)間的功率/能量穩(wěn)定性，卓越的CEP穩(wěn)定性且無漂移，輸出 光斑聚焦峰值強(qiáng)度為〖10〗^15 W?〖cm〗^2 (聚焦光斑20um，FWHM)，可以廣泛應(yīng)用 在HHG，XUV光譜和成像，阿秒科學(xué)等領(lǐng)域。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于歐洲ELI-ALPS阿秒 科學(xué)系統(tǒng)，英國(guó)盧瑟福國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，德國(guó)MBI，加拿大NRC-Corkum組，日本加速器和同步輻射系統(tǒng)Spring-8等系統(tǒng)中，且得到了業(yè)界人士的一致好評(píng)。