モードロックシートレーザー、高出力高エネルギー超高速レーザー

高出力フェムト秒レーザテラヘルツ発生、アト秒パルス発生、光周波数コムなどの科学研究および産業分野で大きな応用価値を持っています。モッドロックレーザー従来のブロックゲイン媒体に基づくものは、高出力時の熱レンズ効果によって制限され、現在の最大出力は約 20 W です。

薄板レーザーは、マルチパスポンプ構造を使用して、ポンプライト高効率な励起吸収を実現するために、厚さ100ミクロンのシート状利得媒質を採用しました。この極薄利得媒質とバッククーリング技術を組み合わせることで、熱レンズ効果と非線形効果の影響を大幅に低減し、より高出力のフェムト秒パルス出力を実現します。
ウェーハ発振器とカーレンズモード同期技術を組み合わせたものが、フェムト秒オーダーのパルス幅を持つ高平均出力レーザー出力を得るための主な手段です。

図1 (a) 72光学構造図と(b) ポンプモジュールの物理図

中国科学院の研究チームは、自社開発した72方向ポンプモジュールをベースにカーレンズモード同期シートレーザーを設計・構築し、中国で最高の平均出力と単一パルスエネルギーを持つカーレンズモード同期シートレーザーを開発しました。
研究チームは、カーレンズモード同期の原理とABCD行列の反復計算に基づいて、まず薄板カーレンズモード同期レーザーのモード同期理論を分析し、モード同期動作中および連続動作中の共振器内のモード変化をシミュレーションし、モード同期後にハードダイヤフラムでのキャビティモード半径が7％以上減少することを確認しました。

その後、研究チームは設計原理に基づき、独自に開発した72ウェイポンプモジュール（図1）をベースに、カーレンズモード同期共振器（図2）を設計・構築し、72Wの励起時間で平均出力11.78W、パルス幅245fs、単一パルスエネルギー0.14μJのパルスレーザー出力を実現しました。出力パルス幅と共振器内モードの変化は、シミュレーション結果と良好な一致を示しました。

図2 実験に使用したカーレンズモード同期Yb:YAGウェハレーザーの共振空洞の模式図

研究チームはレーザー出力を向上させるため、集光ミラーの曲率半径を大きくし、カー媒質の厚さと二次分散を微調整した。ポンプ電力を94Wに設定した場合、平均出力は22.33Wに増加し、パルス幅は394fs、単一パルスエネルギーは0.28μJとなった。

研究チームは、出力をさらに高めるために、集光凹面鏡ペアの曲率半径をさらに大きくし、共振器を低真空の密閉環境に設置して空気の擾乱や空気の分散の影響を減らす予定です。