室温环境下掺铥高能再生放大器的技术突破与应用前景

作者：欧光科技发表时间：2026-01-21 15:53:05

2微米波段高能、高峰值功率飞秒脉冲在大气传感、材料加工、强场物理等领域具有不可替代的重要价值，其兼具优异的大气传输性能、选择性分子吸收能力与强非线性相互作用特性，且处于人眼安全光谱窗口，同时匹配水、二氧化碳等关键分子的吸收带，在激光医学、中红外生成等场景中亦存在广泛应用潜力。然而，传统2微米波段飞秒脉冲生成技术长期面临环境依赖强、系统复杂度高、性能受限等瓶颈，制约了其规模化应用与技术推广。暨南大学陈振强、代世波教授团队在《Laser&PhotonicsReviews》发表的相关研究，成功研发出可在室温环境下稳定运行的掺铥（Tm:YAP）再生放大器，实现了技术上的重大突破，为该领域的发展提供了全新解决方案。

一、核心技术突破与系统设计

（一）波长调控：破解水汽吸收关键瓶颈

传统c切Tm:YAP再生放大器的中心工作波长为1.94微米，该波段处于大气水汽强吸收区域，导致脉冲传输过程中光谱变窄、光束质量下降，需依赖氮气净化环境与低温条件才能维持高能量输出，显著增加了系统的运营成本与维护难度。本研究创新性地采用a切Tm:YAP晶体作为增益介质，通过精准调控发射峰位置，将其转移至1.98微米波段——该波段水汽吸收显著减弱，从根本上规避了环境因素对输出性能的影响，使放大器可在常规室温环境下稳定运行，无需额外的气体吹扫或低温控温设备。

（二）晶体与谐振腔优化：提升热稳定性与损伤阈值

为进一步优化系统性能，研究团队对晶体结构与谐振腔设计进行了系统性升级。在晶体选择上，采用3.0%低掺杂浓度的a切Tm:YAP晶体，其尺寸设计为3×3×16mm，通过扩展晶体体积实现热沉积的均匀分布，有效减轻了热负荷；晶体端面经布儒斯特角抛光处理，强化E‖b偏振特性，显著提升了激光损伤阈值（经测算超过13.4GW/cm²）。在谐振腔设计方面，采用Z形折叠腔结构，配置两个曲率半径为500毫米的平面凹面镜与四个平面镜，优化后的腔长约为2220mm，基本重复率达66.6MHz；通过调整镜组间距（M1与CCM1间距600mm、CCM1与晶体间距260mm等），实现了全泵浦功率范围内基模光束的稳定输出，水平与垂直方向基模光束半径约为270×140µm，保障了良好的模式匹配与宽谐振器稳定性范围。

（三）放大链路构建：保障高能量与高光束质量输出

该放大器的放大链路经过精密设计与调试，种子源由9字形锁模振荡器、单级光纤前置放大器、PM2000D光纤展宽器及两级掺铥光纤前置放大器组成，初始种子脉冲中心波长为1958nm，光谱带宽52nm，经色散补偿与拉伸后，脉冲持续时间达164ps。为匹配a切Tm:YAP晶体的增益特性，研究团队将种子脉冲中心波长红移至1975nm，经前置放大后脉冲能量提升至100nJ，光谱带宽保持20.9nm。泵浦系统采用793nm自然偏振连续波激光二极管，通过芯径200µm、数值孔径0.22的传输光纤耦合，经1:1.5平凸透镜聚焦后，泵浦光斑直径约为300µm，晶体对泵浦光的吸收效率达92%。脉冲选择器采用RbTiOPO₄晶体，将重复率从45.45MHz可调至1-100kHz，最终经透射光栅压缩器（800线/mm，入射角52.4°）补偿二阶色散，实现高效脉冲压缩。

二、关键性能指标与技术优势

（一）核心性能达成显著突破

该掺铥再生放大器在实验中展现出优异的综合性能：在1kHz重复频率下，当吸收泵浦功率达到25.3W时，最大脉冲能量达2.6毫焦，斜率效率为15.9%，峰值功率接近4.8GW，创下掺铥再生放大器领域脉冲能量与峰值功率的最高纪录；系统稳定性表现突出，1小时内功率稳定性达1.58%，短期脉冲间稳定性为2.0%，光束品质因子M²在水平与垂直方向分别为1.06和1.01，远场光束呈标准高斯分布，满足高效脉冲压缩与非线性频率转换的严苛要求。在光谱与脉冲特性方面，放大器输出光谱带宽超过19nm，38次往返放大后压缩脉冲持续时间为431fs，且无大气水汽吸收导致的宽带皮秒基座；当重复率提升至100kHz时，平均功率达4.8W，脉冲能量为48µJ，峰值功率107MW，脉冲持续时间缩短至364fs，累积B积分仅为0.66，性能表现均衡稳定。

（二）相较于传统技术的核心优势

1.环境适应性显著提升：无需氮气吹扫、低温控温等特殊环境保障，系统结构紧凑、运维简便，大幅降低了部署成本与使用门槛；

2.性能均衡性突出：解决了掺钬介质增益带宽窄（脉冲持续时间受限）、光参量啁啾脉冲放大系统转换效率低、光纤放大系统非线性累积严重等传统方案的固有缺陷，实现了宽增益带宽、高脉冲能量、高光束质量的协同优化；

3.集成化潜力大：采用793nm直接二极管泵浦，与a切Tm:YAP晶体兼容性良好，系统架构简洁且易于集成，为后续小型化、模块化开发奠定了基础。

三、应用场景与产业价值

基于其优异的性能表现，该室温掺铥再生放大器在多个关键领域具备明确的应用前景：在大气传感与光谱测量领域，其2微米波段特性可精准匹配水、二氧化碳等分子的吸收带，为环境监测、气象探测提供高灵敏度技术支撑；在激光医学领域，人眼安全光谱特性与高功率输出能力相结合，可满足精准治疗、组织消融等临床需求；在材料加工领域，能够实现塑料、硅胶等聚合物基材料的高效加工，无需表面预处理，显著提升生产效率与加工质量；在前沿科学研究领域，可作为中红外生成的高效泵浦源，支持光学参量生成、放大等过程，同时为高阶谐波生成、软X射线水窗相干阿秒发射等超快科学实验提供稳定驱动。

四、未来优化方向与发展展望

尽管该研究已实现重大技术突破，但仍存在进一步优化的空间。研究团队提出，后续可通过注入更宽带宽的种子脉冲，并将其中心波长与a切Tm:YAP晶体发射峰精准对齐，有望将脉冲持续时间压缩至200fs以内；采用双端泵浦或梯度掺杂晶体设计，可进一步减轻热效应影响，提升能量输出上限；通过优化热架构（如采用盘形、板形晶体几何形状）、扩大光斑尺寸或拉伸种子脉冲等方式，能够降低晶体损伤风险，实现功率与能量的持续提升。

该研究通过创新性的波长调控、晶体优化与系统设计，成功突破了传统掺铥再生放大器对特殊环境的依赖，实现了室温条件下高能、高峰值功率2微米飞秒脉冲的稳定输出，为相关领域提供了高效、紧凑、低成本的技术方案。随着后续优化工作的推进，该技术有望在更多前沿领域实现规模化应用，推动超快激光技术与相关产业的持续发展。