采用二极管泵浦的Yb:KGW飞秒激光器，平均功率超过20瓦

《Optics & Laser Technology》：Diode-pumped Yb:KGW femtosecond laser with above 20 W average power

高功率单晶Yb:KGW激光器通过热透镜效应分析实现21W输出，脉冲宽度309fs，重复频率70.5MHz，验证了该材料在非线性频率转换和高能激光系统中的潜力。

　　

Jie Yang|Xianghao Meng|Guangdao Yang|Zhaoqing Gong|Xianglong Zhao|Tianmeng Jiao|Siwen Wang|Xin Shao|Haiyang Liu|Pingxue Li

北京工业大学物理与光电工程学院，中国北京100124

摘要

我们展示了一种高功率、二极管泵浦的半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模的Yb:KG(WO₄)₂（Yb:KGW）激光器。该激光器的工作重复频率为70.5 MHz，脉冲持续时间为230 fs，平均输出功率为18.40 W，脉冲能量为261 nJ，峰值功率为1.13 MW。在更换了20%透射率的输出耦合器后，系统在48 W的泵浦功率下实现了最大平均输出功率21 W和309 fs的脉冲持续时间。此外，我们还研究了热透镜对输出光束波前像差和光束质量的影响。据我们所知，这是迄今为止报道的具有最高输出功率的SESAM锁模单晶Yb:KGW振荡器。这项工作展示了其在非线性频率转换和高能激光放大系统中的应用潜力。

引言

在超短脉冲激光器（皮秒到飞秒范围）中，飞秒激光器由于其高峰值功率、宽光谱带宽和出色的时间分辨率而在阿秒科学、超快光谱学、微纳加工和光学参量振荡器泵浦等领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。尽管20世纪90年代开发的Ti:蓝宝石飞秒激光器能够产生跨越八个倍频程的光谱和峰值功率达到10 PW的少数周期脉冲，但其复杂且昂贵的泵浦系统通常将平均功率限制在20 W以下。相比之下，掺镱的增益介质具有简单的能级结构和低量子缺陷，特别适合直接进行高功率激光二极管（LD）泵浦。通过有效的热管理，基于镱的介质已经实现了瓦级的飞秒输出，并表现出卓越的性能。常见的镱增益材料包括Yb:KGW [8]、Yb:MgWO₄ [9]、Yb:YAP [10] 和 Yb:SrF₂ [11]。然而，如何在保持高功率的同时实现短脉冲持续时间是一个挑战。因此，选择兼具宽光谱特性和优异热机械性能的新型增益介质至关重要。由于其有利的光谱特性和高热导率，Yb:KGW晶体已成为高功率飞秒激光研究的一个有前途的候选材料。

目前，采用克尔透镜锁模（KLM）和SESAM锁模的掺镱振荡器是最常用的生成超短脉冲激光的方法。KLM利用自相位调制等非线性效应来扩展光谱，从而有助于生成更短的脉冲。例如，Meng等人在2019年展示了Yb:KGW中的KLM操作，实现了4 W的输出和73 fs的脉冲[12]。随后，Tian的研究小组在2024年报道了一种LD泵浦的Yb:KGW振荡器，其在184 fs的重复频率下输出6.17 W的功率[13]。次年，同一团队提出了一种软孔径KLM Yb:KGW振荡器，在42 W的泵浦功率下实现了7.73 W和189 fs的脉冲，工作频率为1.68 GHz[14]。2025年，Zhang等人通过YAG介质集成和自相位调制优化，实现了5.72 W、80.5 fs的输出，工作频率为92.23 MHz[15]，这是首个输出功率超过5 W且脉冲持续时间小于100 fs的块状Yb:KGW KLM激光器。然而，KLM由于晶体光斑尺寸小，自启动能力和功率扩展性有限。为了解决自启动问题，开发了SESAM辅助的KLM（KLAS）。2013年，Zhao等人在Yb:KGW中实现了3 W、67 fs的锁模[16]，而Akbari等人在2017年获得了56 fs、1.95 W的KLAS操作——这是从块状Yb:KGW振荡器产生的最短脉冲[17]。相比之下，纯SESAM锁模具有自启动操作和更好的稳定性，从而实现了更好的功率扩展能力。Holtom开创的双端泵浦方案在2006年实现了10 W、290 fs的脉冲，波长为1039 nm[18]。随后，Zhao等人使用调制深度为1.4%的SESAM实现了12 W、400 fs的输出，光光转换效率为37%[19]。Yang等人的进一步谐振器优化将性能提升到了13 W和261 fs的脉冲[20]。这些结果展示了Yb:KGW SESAM锁模振荡器在高功率飞秒激光生成方面的巨大潜力。

在这项工作中，我们介绍了一种单晶、二极管泵浦的高功率SESAM锁模Yb:KGW振荡器。我们研究了热透镜效应对光束质量和波前特性的影响。通过谐振器优化，在70.5 MHz的重复频率下实现了稳定的锁模操作。使用10%的输出耦合器时，激光器产生了18.40 W的平均功率和230 fs的脉冲，对应的脉冲能量为261 nJ，峰值功率为1.13 MW。更换为20%透射率的输出耦合器镜后，平均功率增加到21 W，脉冲持续时间变为309 fs，脉冲能量为297 nJ，峰值功率为0.96 MW。

实验装置

实验装置

SESAM锁模Yb:KGW激光器的实验装置示意图如图1所示。使用的Yb:KGW晶体长5 mm，掺杂了5 at.%的镱离子，其在940–1070 nm范围内具有高透射率涂层。为了充分利用Yb:KGW的最大吸收截面，晶体的Nm轴与泵浦光的p偏振方向对齐。由于腔内没有偏振器，激光器的偏振自然与晶体的Nm轴对齐。

实验结果与讨论

在设计高功率固态激光器时，增益晶体中的热透镜效应是限制输出功率和光束质量的关键因素[21]、[22]、[23]。实验中，使用准直的氦氖气体激光器作为探测光束。通过测量其在泵浦条件下的聚焦位置，获得了不同泵浦功率下Yb:KGW晶体的热焦距，如图2(a)所示。

结论

总结来说，我们开发了一种高功率的LD泵浦Yb:KGW SESAM锁模激光器。系统地分析了热透镜效应对谐振器腔模式特性的影响，并通过实验表征了输出光束的特性，为固态激光器的热管理和光束质量优化提供了宝贵的参考。通过使用10%的输出耦合器进行腔内模式优化，激光器在40 W的泵浦功率下实现了18.40 W的平均功率和230 fs的脉冲。

作者贡献声明

Jie Yang：撰写——原始稿件、验证、数据整理。Xianghao Meng：撰写——审阅与编辑、监督。Guangdao Yang：撰写——原始稿件。Zhaoqing Gong：撰写——原始稿件。Xianglong Zhao：撰写——原始稿件。Tianmeng Jiao：撰写——原始稿件。Siwen Wang：撰写——原始稿件。Xin Shao：撰写——原始稿件。Haiyang Liu：撰写——原始稿件。Pingxue Li：撰写——审阅与编辑、监督、资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢以下机构的资助：国家自然科学基金（编号：62575007、61905287）；国家关键科学仪器设备发展项目（编号：2022YFB3606203）；北京博士后科学基金（编号：2022ZZ-073）；北京朝阳区博士后基金。