学术研究报告：基于双晶体Yb:CALGO配置的千赫兹、毫焦耳级亚200飞秒再生放大器研究

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为Yujie Peng（上海光学精密机械研究所，SIOM），合作者包括Junze Zhu、Jiajun Song等，共同完成单位包括中国科学院大学（UCAS）、上海科技大学（ShanghaiTech）等。研究成果发表于2024年9月23日的Optics Express（Vol. 32, No. 20），论文标题为“1 kHz, 10 mJ, sub-200 fs regenerative amplifier utilizing a dual-crystal configuration of Yb:CALGO featuring exceptional beam quality”。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于超快激光技术领域，聚焦于高重复频率、高能量飞秒激光放大器的开发。传统钛宝石（Ti:Sapphire）激光器虽能产生超短脉冲（数十飞秒），但受限于量子缺陷高、热负载大，平均功率难以突破30 W。而掺镱（Yb）晶体（如Yb:YAG）虽适合高功率放大，但其增益窄化效应限制了飞秒脉冲的输出。

研究动机：Yb:CALGO（Yb:CaGdAlO₄）晶体具有宽发射光谱（~9 nm）、高导热性及室温工作优势，是飞秒放大的理想介质。然而，现有基于Yb:CALGO的再生放大器（RA）受限于光学元件损伤和非线性效应，脉冲能量普遍低于5 mJ。本研究旨在通过双晶体配置、热不敏感腔设计及准连续波泵浦技术，突破能量限制，实现10 mJ级输出，同时保持亚200 fs脉冲宽度和优异光束质量（M²≈1.05）。

三、研究流程与方法
1. 种子源与色散管理
- 种子源：采用锁模光纤振荡器（46 MHz，170 mW，1020-1045 nm带宽）。
- 色散拉伸：使用Martinez展宽器（Martinez stretcher）将种子脉冲展宽至500 ps，降低放大过程中的光学损伤风险。压缩器采用Treacy型光栅（1600 lines/mm），压缩效率达89%。

1. 双晶体再生放大器设计

   • 增益介质：两块Yb:CALGO晶体（3×3×5 mm³，2%掺杂），采用双端泵浦（550 µm光斑）以分散热负载。
     
   • 热管理：准连续波泵浦（500 µs脉宽，50%占空比）结合特殊散热器设计，降低晶体温升。
     
   • 腔模式优化：通过热不敏感腔设计，使晶体处光斑半径（255 µm）在热透镜焦距200-800 mm范围内保持稳定，避免模式失配。
     

2. 关键光学元件保护

   • 通过控制腔模尺寸（如Pockels cell光斑半径620 µm），确保能量密度低于损伤阈值（晶体涂层阈值6 J/cm²@100 ps）。
     

3. 实验参数调控

   • 泵浦功率从90 W提升至165 W时，输出功率从0.53 W增至11.3 W，斜率效率26.2%。
     
   • 通过优化种子脉冲与泵浦时序，实现1000:1的高时间对比度。
     

四、主要研究结果
1. 能量与稳定性：在1 kHz重复频率下，输出脉冲能量达11.3 mJ（压缩后10 mJ），功率稳定性（RMS）为0.35%（1小时）。
2. 脉冲特性：压缩后脉宽198 fs（傅里叶极限172 fs），对应峰值功率50 GW，为目前掺镱块状介质RA在1 kHz下的最高纪录。
3. 光谱与光束质量：
- 受增益窄化效应影响，输出光谱半高宽（FWHM）从种子源的17.5 nm降至9 nm。
- 光束质量M²=1.05×1.06，近衍射极限，远场与近场光斑均匀（椭圆度0.99）。

五、结论与价值
科学价值：
- 首次实现Yb:CALGO双晶体RA的10 mJ级能量输出，为高重复频率、高能量飞秒激光系统提供了新方案。
- 通过热不敏感腔设计与准连续泵浦，显著降低了热效应对光束质量的影响。

应用前景：
- 可作为高次谐波产生（HHG）、阿秒科学（attosecond science）等领域的前端放大器。
- 未来通过替换为色散更大的啁啾光纤布拉格光栅（CFBG），能量有望提升至20 mJ级。

六、研究亮点
1. 能量突破：11.3 mJ输出为已知Yb:CALGO RA的最高能量纪录。
2. 热管理创新：双晶体配置与准连续泵浦的结合，解决了高功率下的热负载问题。
3. 光束质量：M²接近理论极限，优于同类研究（如Yb:KYW的M²≈1.3）。

七、其他要点
- 实验数据可通过作者合理申请获取，未发现利益冲突。
- 研究受国家重点研发计划（2022YFA1604400）等多项基金支持。

（注：专业术语如“再生放大器（Regenerative Amplifier, RA）”“半高宽（FWHM）”等首次出现时标注英文原文。）