高能量、高平均功率的飛秒激光由于在阿秒高次諧波產(chǎn)生、精密加工制造、生物醫(yī)療及國防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用需求，是近十多年來超快超強激光技術(shù)研究的前沿?zé)狳c內(nèi)容，特別是光纖激光由于穩(wěn)定可靠的運行特性、皮實緊湊的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的光束質(zhì)量、較低的成本等優(yōu)勢，倍受人們的重視，也是廣受歡迎的激光產(chǎn)品，所能輸出的平均功率可達百瓦量級。但由于受限于光纖中有害的非線性效應(yīng)，單路光纖產(chǎn)生的單脈沖能量在保證時域脈沖質(zhì)量和光束質(zhì)量的情況下，難以突破毫焦的瓶頸，限制了對激光強度有要求的許多重要應(yīng)用。

使用相干合成技術(shù)，通過將多路放大后的飛秒脈沖合在一起，是獲得高平均功率、毫焦量級飛秒脈沖的可行方案。相干合成分主動相干合成和被動相干合成兩種，主動相干合成的功率和能量可隨著合成路數(shù)的增加而不斷提升，但是需要復(fù)雜和昂貴的電控鎖定系統(tǒng)；而被動合成無需電控相位穩(wěn)定器件，裝置較為簡單，但受合成路數(shù)的限制，合成平均功率及單脈沖能量低。

針對上述問題和難點，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心L07組在多年高功率超快光纖激光研究的基礎(chǔ)上，提出光纖中靜態(tài)模式退化（Static Mode Degradation, SMD）是限制被動相干合成方案平均功率的關(guān)鍵瓶頸，據(jù)此發(fā)明了一種能有效抑制SMD的雙向隔離器，繼在2021 年實現(xiàn) 100W 平均功率的基礎(chǔ)上（Opt. Lett. 46, 3115 (2021)），最近基于被動合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)，不僅進一步獲得了最高平均功率可達200 W的結(jié)果，而且在100 kHz的重復(fù)頻率下，單脈沖能量達到1.07 mJ，系統(tǒng)合成效率超過了85%。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于最近一期的美國光學(xué)學(xué)會期刊Journal of the Optical Society of America B上，論文第一作者為常國慶特聘研究員指導(dǎo)的博士生史卓。

圖1. 實驗裝置圖

實驗裝置如圖1所示，由前端提供的能量為0.80μJ、重復(fù)頻率在100kHz至1MHz之間可調(diào)的偏振激光脈沖經(jīng)展寬及 PBS1反射、PBS2 透射后，由 PBS3 及 PBS4 組成的時間分脈沖裝置一分為二，分束為兩個間隔約2ns的小脈沖，進一步通過PBS5分為四個脈沖進入Sagnac環(huán)路放大。其中兩個脈沖沿順時針方向傳輸，另外兩個沿逆時針方向傳輸，并在進入棒狀光纖之前采用四分之一波片（QWP1 及 QWP2）變?yōu)閳A偏振。兩根增益光纖之間插入了一塊偏振分束器PBS6對脈沖進行偏振過濾，兩個方向的光傳輸一圈后在PBS5匯合，兩兩進行空間合成，部分退偏光從合成處漏出，構(gòu)成退偏端口；大部分光原路返回，在時間分脈沖裝置處通過時域重合成為一個脈沖，部分未合成的光從未合成端口輸出，合成光從合成端口輸出。實驗結(jié)果表明在150kHz的重復(fù)頻率下，合成端口的平均功率達160W。當將重復(fù)頻率降低為100kHz時，脈沖壓縮后的單脈沖能量為1.07 mJ，放大過程中未觀察到明顯的SMD現(xiàn)象，圖2所示為該能量下的主要測量結(jié)果。顯示脈寬為 240fs，光譜寬度為8.7nm，3小時內(nèi)對應(yīng)的RMS小于0.5%，光束質(zhì)量M2因子為1.11×1.27，縱向上的光束畸變主要來自光柵對。

圖2. 單脈沖1.07 mJ時的（a）自相關(guān)曲線，（b）光譜分布，（c）功率穩(wěn)定性和（d）光束質(zhì)量結(jié)果

相比于以往基于單路放大或主動合成的高功率摻鐿光纖飛秒激光光源，本研究使用簡單結(jié)構(gòu)的被動合成方式，獲得了大于 1mJ 的結(jié)果，突破了常規(guī)飛秒光纖激光單脈沖能量的瓶頸，并具有高達200W的平均功率輸出能力優(yōu)良的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，可望在高重復(fù)頻率阿秒高次諧波的產(chǎn)生、特殊材料的精密加工切割、半導(dǎo)體芯片缺陷檢測及生物醫(yī)學(xué)成像等方面發(fā)揮重要作用。這一進展相關(guān)的裝置及核心器件已申請國家發(fā)明專利。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃（批準號：No. 2021YFB3602602）、國家自然科學(xué)基金（批準號：No. 62175255和62227822）和中國科學(xué)院重要儀器研制項目的支持。常國慶特聘研究員為通訊作者，博士生王井上、張瑤及魏志義研究員、西安電子科技大學(xué)王軍利教授也參與了該工作的設(shè)計和討論。