国内首台产品级掺镱高功率飞秒振荡器在北京量子院开发完成
近日,北京量子信息科学研究院(简称“量子院”)全光量子源团队开发完成了国内首台产品级高功率飞秒振荡器——Fermion-007。该产品弥补了国内瓦量级飞秒振荡器的产品空白,在国际上仅有立陶宛Light Conversion等少数几家公司具有相当技术指标的产品。Fermion-007采用了多项创新技术,仅一级振荡器即可输出大于7W、重频80MHz的飞秒脉冲激光,其指标、可靠性均达到国际先进水平。目前,研发团队已接到超快电镜应用领域的商业合作订单。
表1 光纤、固体飞秒振荡器参数对比
基于上述应用需求和技术路线分析,北京量子院开发了Fermion系列高功率全固态(DPSS)飞秒振荡器。在不需要额外放大的情况下,Fermion-007可直接输出大于7W、80MHz的飞秒脉冲激光,脉冲宽度~120fs,中心波长1035nm。此外,输出激光还具有优异的光束质量和长期稳定性,两维M2小于1.2,12小时连续运转功率均方根值小于0.3%。
Fermion-007 光谱及脉冲宽度测量
Fermion-007 光束质量及长期稳定性
工程化是激光器从实验样机蜕变成可用产品的核心环节。Fermion-007采用了低热阻晶体封装、一体化密封、温湿度负反馈控制等多项工程技术,并对腔体、冷却模组的设计进行了模拟优化,以降低高泵浦热量对激光器运行环境的不利影响。激光器采用克尔透镜锁模(Kerr-lens mode locking)作为飞秒脉冲产生、维持的机制,相比可饱和吸收体(SESAM)具有更长的寿命和更高的器件可靠性。此外,研发团队首次将新型“射频同步技术”应用到Fermion-007中,用以自启动及维持飞秒锁模状态,从根本上克服了克尔透镜锁模飞秒振荡器长期存在的“失锁”问题。
Fermion-007 机械热分布及水路的模拟
Fermion系列产品在超快电镜中的应用
研发团队与相关系统商开展了新型超快电镜开发的前沿合作,首次提出利用飞秒振荡器产生高重频的超快电子,以降低激光脉冲对光阴极造成的损伤风险。该方案有望从根本上解决此类仪器长期存在的光阴极可靠性问题,提高超快电镜产品的使用寿命和市场竞争力。据合作系统商的预估,超快电镜未来3年总市场需求量可达到50台/年。
高功率飞秒振荡器是量子院全光量子源团队于子蛟助理研究员主导完成的研究项目。全光量子源团队于2020年由鲁巍教授组建,隶属于北京量子院技术产业开发中心。团队致力于打造支撑量子产业相关的关键激光设备,包括超快超强激光装置(TW-PW系统)、激光加速桌面光源及应用、新型高端科研飞秒激光器的前沿技术研究、产品研发及产业化落地。
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