用于光阴极的光纤激光研制实验

为获得高亮度低发射度的电子束,研制高重复频率高平均功率的光阴极驱动激光系统非常关键。利用光纤激光技术,设计了100 MHz和1.3GHz的激光系统。激光系统为全光纤结构,采用了掺镱光子晶体光纤作为放大器增益介质。在初步验证实验中,红外激光输出27 W,倍频后绿光达到6 W。     

高重复频率短脉冲全光纤激光系统

采用时分复用技术在输出80MHz重复频率光纤锁模激光器的基础上,实现了重复频率倍增,获得了160MHz的高重复频率输出。理论和实验研究了高重复频率短脉冲在大模面积掺Yb3+光纤中的放大特性,实验上获得了输出平均功率105W,脉冲宽度12.4ps,重复频率160MHz的高重复频率短脉冲光纤激光系统。     

高平均功率光纤激光技术基础: (1)概述

概述高平均功率光纤激光技术基础领域的最新研究成果,阐明高平均功率光纤激光的技术进步与谐振腔、模式、非线性效应等基础科学问题深度发展的相互促进过程,给出本系列论文的写作思路。     

激光二极管抽运的高重频高平均功率Nd:YAG激光器

搭建了一台高重复频率、高峰值功率、高平均功率的激光器. 激光器主要包括三部分: 单纵模光纤种子源、激光二极管阵列抽运的Nd:YAG再生放大器和四程放大器. 系统获得了平均功率11 W、重复频率100 Hz、脉冲能量112 mJ、脉宽500 ps–2 ns可调的激光输出, 工作波长1064 nm. 输出光束口径6.8 mm, 1.5倍衍射极限, 近场光强近平顶分布, 能量稳定性为0.72%. 关键词： 激光二极管抽运 高重复频率 高峰值功率 高平均功率     

基于棒状光子晶体光纤的35W重复频率可调皮秒掺镱光纤激光器

针对激光切片技术缺少重频可调激光光源,设计了一种脉冲平均功率35.4W,脉宽12ps,重复频率300kHz～1MHz可调的高功率掺镱光纤皮秒脉冲激光器。激光器采用全光纤振荡器及预放大系统,配合基于棒状光子晶体光纤的主放大系统,并通过在级联放大中加入声光调制器(AOM)调控重复频率,从而实现重复频率可调的高功率皮秒脉冲输出。激光器振荡器及预放大部分的全光纤设计,相较于空间耦合放大具有光路结构简单、环境稳定性高等特点,有望推动高能量飞秒光纤激光工业化进程,提升其在复杂使用环境的适应性。     

1GHz,48.8fs高重复频率掺镱光纤飞秒激光器研究

GHz基本重复频率光纤超短脉冲激光器由于具有宽光谱,窄脉宽等优势,在高速光刻,高端制造,天文探测,太赫兹检测,精密仪器等领域应用广泛。然而在实现1GHz以上基本重复频率锁模的前提下,如何输出脉冲宽度在50fs以下的超短脉冲是当前科学研究的难点。文章以实现更宽光谱,更窄脉宽的GHz重复频率光纤超短脉冲激光器为目标,通过非线性偏振旋转锁模(NPR)技术,利用波分复用光纤准直器(WDM-Collimator)缩短激光谐振腔长度,最终实现了48.8fs脉冲宽度的1GHz基本重复频率光纤激光器。该脉冲宽度是当前国际上1μm波段GHz基本重复频率光纤激光器的最窄直接输出脉冲宽度。最后对激光器集成形成样机,并有效降低制造成本,提升了系统稳定性。该激光样机可满足天文光梳、卫星导航等领域空间尺寸的需求,有望推动高重复频率光纤超短脉冲激光器工业化、商业化发展。     

基于光子晶体光纤的百瓦量级超连续谱光源研究

采用脉冲重复频率可调的高功率皮秒脉冲光纤激 光抽运光子晶体光纤产生了平均输出功率为101 W的全 光纤化超连续谱. 通过一系列的对比实验, 详细研究了抽运激光的脉冲重复频率以及光子晶体光纤的长度对超连续谱产生的影响. 最后, 对如何实现更高平均功率的超连续谱输出进行相关的分析和讨论. 相关研究结果可以为进一步发展基于光子晶体光纤的高功率超连续谱光源提供一定的参考. 关键词： 光子晶体光纤 非线性光纤光学 超连续谱产生     

基于光子晶体光纤和拉锥式单模光纤的超连续光谱产生的实验研究

本文使用重复频率为250 MHz、脉冲宽度为135 fs、最大功率为2.2 W的锁模掺镱光纤激光作为种子源,利用光子晶体光纤和自制的拉锥式单模光纤两种高非线性光纤研究了超连续光谱的产生特性,通过对比两种光纤的结构、色散等特性,分析了拉曼孤子、色散波及其他非线性效应对产生的超连续谱形状的影响,并均得到了大于一个倍频程的超连续光谱,特别是拉锥式单模光纤产生的超连续光谱,耦合效率达到60%,这为众多研究领域,尤其是光学频率梳的建立提供了实用的超连续光源.     

全正色散高阶谐波锁模掺Yb光纤激光器

在全正色散(ANDi)系统中,报道了最高为21阶的被动谐波锁模(HML)掺Yb光纤激光器。利用级联长周期光纤光栅(C-LPFG)作为全光纤结构的光谱滤波器,以非线性偏振演化(NPE)效应作为锁模机理,得到了重复频率可调谐的被动谐波锁模掺Yb激光输出,实现输出脉冲重复频率1.544~32.42MHz的可调谐。并进一步论证了谐波阶次的提高不仅与抽运功率有关,而且与光纤的长度有关。     

光纤激光共孔径光谱合成实现5kW高效优质输出

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明:多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件;参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。     

强流目标的DC-SRF-II光阴极驱动激光系统设计

为推动北京大学超导加速器实验装置不断向强流目标迈进,提出100 W红外高重频光阴极驱动激光的设计方案,主放大器采用先进的光子晶体增益光纤,保证输出光束的质量。对激光系统中的关键问题,如各部分功率指标、脉冲展宽和压缩、激光耦合等进行了设计,并且考虑了激光的非线性影响。为实现强流加速器开机运行所必备的诊断模式,也提出了对于高重频激光进行两级选频的独特设计方案。将高速的SOA光开关和低速的声光调制器相结合,产生宏脉冲结构的输出激光,从而实现加速器在诊断模式下的运行。     

光阴极RF腔注入器

 光阴极RF腔注入器是一种强流、窄脉冲(ps量级)、低发射度的电子束源。文章给出了CAEP光阴极RF腔注入器的结构和实验结果,结构主要包括驱动激光器、Cs₂Te阴极制备室、2.5个RF腔、高功率微波源和测量仪器等,其中驱动激光器的参数是影响注入器电子束质量的重要因素;实验上,该光阴极RF腔注入器可稳定输出能量2MeV、流强70A、发射度～4mm.mrad的高亮度电子束流。     

Ultrafast fiber lasers for strong‐field physics experiments

The recent demonstration of rare‐earth‐doped fiber lasers with a continuous‐wave output power approaching the 10‐kW level with diffraction‐limited beam quality proves that fiber lasers constitute a scalable solid‐state laser concept in terms of average power. In order to generate high peak power pulses from a fiber several fundamental limitations have to be overcome. This can be achieved by novel experimental strategies and fiber designs that offer an enormous potential towards ultrafast laser systems combining high average powers (> kW) and high peak power (> GW). In this paper the challenges, achievements and perspectives of ultrashort pulse generation and amplification in fibers are reviewed. This kind of laser system will have a tremendous impact on strong‐field physics experiments, such as the generation of coherent light by high‐harmonic generation. So far, applications in the interesting EUV spectral range suffer from the very low photon count leading to nonrelevant integration times with highly sophisticated detection schemes. High repetition rate high average power fiber lasers can potentially solve this issue. First demonstrations of high repetition‐rate strong‐field physics experiments using novel fiber laser systems will be discussed.     

脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮等离子体特性研究

采用光栅光谱仪 对脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的等离子体空间分辨发射光谱进行了测量. 研究了500–600 nm波段范围内的等离子体空间发射光谱强度随激光平均功率和脉冲重复频率的变化情况. 结果表明: 等离子体辐射光谱强度在其径向膨胀方向上距离砂轮表面约2.4 mm处达到最大值. 在局部热力学平衡假设条件下, 根据等离子体中六条铜原子谱线的相对强度, 利用Boltzmann 图法, 计算得到在不同激光功率和重复频 率条件下的等离子体电子温度沿砂轮径向方向的分布规律. 实验结果表明: 在激光修锐青铜金刚石砂轮过程中, 距离砂轮表面约3 mm处等离子体电子温度出现峰值, 其温度最高可达4380 K, 且等离子体电子温度随着激光参数和 空间位置的改变呈现出不同的演变规律. 关键词： 脉冲光纤激光 等离子体发射光谱 激光修锐 电子温度     

Development of Preparation Systems with K_2CsSb Photocathodes and Study on the Preparation Process

The next generation of advanced light sources requires photons with large average flux and high brightness,which needs advanced electron gun matched with excellent photocathode materials. K_2CsSb photocathode has the advantages of high quantum efficiency, long lifetime and instantaneous response. This study introduces the design of a set of K_2CsSb photocathode preparation systems and detailed preparation process of K_2CsSb photocathodes, including sequential deposition process and co-deposition process, and finally develops a K_2CsSb photocathode. The influence of laser power on the quantum efficiency is also investigated.     

Cavity-enhanced similariton Yb-fiber laser frequency comb: 3 x 10(14) W/cm2 peak intensity at 136 MHz

We report on a passive cavity-enhanced Yb-fiber laser frequency comb generating 230 MW of peak power (3 kW of average power) at a 136 MHz pulse repetition rate. The intracativy peak intensity of 3 x 10(14) W/cm2 for the 95 fs pulse is sufficient to ionize noble gases, such as Xe, Kr, or Ar. The laser system is based on a mode-locked Yb-fiber similariton oscillator in conjunction with a cladding-pumped chirped-pulse fiber amplifier. After recompression, 75 fs duration pulses at a 13.1 W average power are obtained. These pulses are then coherently added inside a passive ring cavity by controlling the fiber oscillator's pulse repetition rate and carrier-envelope offset frequency. This system is well suited for studying high-field phenomena at very high pulse repetition rates.     

2μm波段全光纤保偏被动锁模掺铥光纤激光器

报道了2μm波段的全光纤保偏锁模掺铥光纤激光器,通过在法布里-珀罗(F-P)腔内加入半导体可饱和吸收镜做为被动锁模器件,采用主振-放大构型,获得了最高输出平均功率为1.08W,重复频率为10.24MHz,脉冲宽度为15.24ps,中心波长为2054.68nm,光谱宽度约为0.3nm的2μm线偏振激光脉冲输出,激光脉冲的消光比为24.17dB。     

DC-SC光阴极注入器的束载实验的调试进展

 北京大学射频超导实验室设计了新型超导光电子枪——DC-SC光阴极注入器，目标是为自由电子激光平台提供能量在2~3MeV，脉宽小于10ps，脉冲重复频率为81.25MHz，平均流强约为1mA的低发射度电子束。现在已经建成了DC-SC光阴极注入器实验平台，包括激光驱动光阴极系统，Pierce直流高压加速结构，1.3GHz 1＋1/2纯铌超导腔，恒温器低温系统，4.5kW连续波微波系统，1/16分频与同步控制系统，束流诊断系统和能量分析系统等。并且完成了超导腔的静态实验，直流加速结构也经过了100μA低电流测试。实验结果符合设计要求，整体调试后即可以进行束载实验。