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波発生、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において、大きな応用価値がある。モッドロックされたレーザー従来のブロックゲイン媒体に基づくものは、高出力時に熱レンズ効果によって制限され、現在の最大出力電力は約20Wです。

薄板レーザーは、多重パスポンプ構造を使用して光を反射します。ポンプライト高効率なポンプ光吸収を実現するため、厚さ100ミクロンのシート状利得媒体を採用しました。極めて薄い利得媒体とバッククーリング技術を組み合わせることで、熱レンズ効果や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できます。
ウェハ発振器とカーレンズモード同期技術を組み合わせることは、フェムト秒オーダーのパルス幅で高平均出力のレーザーを得るための主要な手段である。

図1（a）72光学構造図、（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、独自開発の72方向ポンプモジュールを基にしたカーレンズモード同期シートレーザーを設計・構築し、中国国内で最高平均出力と最高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、モード同期後に硬質ダイヤフラムにおけるキャビティモード半径が7%以上減少することを確認した。

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のポンピング時間で平均出力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得た。出力パルスの幅と共振器内モードの変化は、シミュレーション結果とよく一致している。

図2 実験で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器の概略図

レーザーの出力パワーを向上させるため、研究チームは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。ポンプパワーを94Wに設定したところ、平均出力パワーは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。

出力パワーをさらに向上させるため、研究チームは集束凹面鏡ペアの曲率半径をさらに大きくするとともに、共振器を低真空の密閉環境に配置することで、空気の乱れや拡散の影響を低減する予定である。