近日，北京量子信息科學(xué)研究院（簡稱“量子院”）全光量子源團(tuán)隊開發(fā)完成了國內(nèi)首臺產(chǎn)品級高功率飛秒振蕩器——Fermion-007。該產(chǎn)品彌補了國內(nèi)瓦量級飛秒振蕩器的產(chǎn)品空白，在國際上僅有立陶宛Light Conversion等少數(shù)幾家公司具有相當(dāng)技術(shù)指標(biāo)的產(chǎn)品。Fermion-007采用了多項創(chuàng)新技術(shù)，僅一級振蕩器即可輸出大于7W、重頻80MHz的飛秒脈沖激光，其指標(biāo)、可靠性均達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前，研發(fā)團(tuán)隊已接到超快電鏡應(yīng)用領(lǐng)域的商業(yè)合作訂單。
產(chǎn)品及性能簡介
作為產(chǎn)生飛秒脈沖激光的“種子”，超快飛秒振蕩器（Ultrafast femtosecond oscillator）具有高重頻、高光束質(zhì)量等優(yōu)勢，但輸出功率普遍較低，往往需要對其進(jìn)行功率放大以滿足應(yīng)用需求。然而，這種“振蕩器+放大器”的技術(shù)路線會大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度，導(dǎo)致成本變高、可靠性變差，從而限制了飛秒激光的受眾范圍。此外，超快電鏡、飛秒雙光子顯微成像等應(yīng)用對激光重復(fù)頻率也有較高要求，因此，高功率飛秒振蕩器成為相關(guān)領(lǐng)域的急需產(chǎn)品。飛秒振蕩器主要分為光纖和固體兩大類。固體振蕩器雖然技術(shù)難度較高，但最高輸出功率比光纖高3個量級，且具有更高重頻和更長的鎖模器件壽命，是滿足應(yīng)用需求的最佳技術(shù)方案。二者的具體對比見表1。
基于上述應(yīng)用需求和技術(shù)路線分析，北京量子院開發(fā)了Fermion系列高功率全固態(tài)（DPSS）飛秒振蕩器。在不需要額外放大的情況下，F(xiàn)ermion-007可直接輸出大于7W、80MHz的飛秒脈沖激光，脈沖寬度~120fs，中心波長1035nm。此外，輸出激光還具有優(yōu)異的光束質(zhì)量和長期穩(wěn)定性，兩維M2小于1.2，12小時連續(xù)運轉(zhuǎn)功率均方根值小于0.3%。
Fermion-007 光譜及脈沖寬度測量
Fermion-007 光束質(zhì)量及長期穩(wěn)定性
工程化是激光器從實驗樣機蛻變成可用產(chǎn)品的核心環(huán)節(jié)。Fermion-007采用了低熱阻晶體封裝、一體化密封、溫濕度負(fù)反饋控制等多項工程技術(shù)，并對腔體、冷卻模組的設(shè)計進(jìn)行了模擬優(yōu)化，以降低高泵浦熱量對激光器運行環(huán)境的不利影響。激光器采用克爾透鏡鎖模（Kerr-lens mode locking）作為飛秒脈沖產(chǎn)生、維持的機制，相比可飽和吸收體（SESAM）具有更長的壽命和更高的器件可靠性。此外，研發(fā)團(tuán)隊首次將新型“射頻同步技術(shù)”應(yīng)用到Fermion-007中，用以自啟動及維持飛秒鎖模狀態(tài)，從根本上克服了克爾透鏡鎖模飛秒振蕩器長期存在的“失鎖”問題。
作為產(chǎn)生飛秒脈沖激光的“種子”，超快飛秒振蕩器（Ultrafast femtosecond oscillator）具有高重頻、高光束質(zhì)量等優(yōu)勢，但輸出功率普遍較低，往往需要對其進(jìn)行功率放大以滿足應(yīng)用需求。然而，這種“振蕩器+放大器”的技術(shù)路線會大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度，導(dǎo)致成本變高、可靠性變差，從而限制了飛秒激光的受眾范圍。此外，超快電鏡、飛秒雙光子顯微成像等應(yīng)用對激光重復(fù)頻率也有較高要求，因此，高功率飛秒振蕩器成為相關(guān)領(lǐng)域的急需產(chǎn)品。飛秒振蕩器主要分為光纖和固體兩大類。固體振蕩器雖然技術(shù)難度較高，但最高輸出功率比光纖高3個量級，且具有更高重頻和更長的鎖模器件壽命，是滿足應(yīng)用需求的最佳技術(shù)方案。二者的具體對比見表1。
表1 光纖、固體飛秒振蕩器參數(shù)對比
基于上述應(yīng)用需求和技術(shù)路線分析，北京量子院開發(fā)了Fermion系列高功率全固態(tài)（DPSS）飛秒振蕩器。在不需要額外放大的情況下，F(xiàn)ermion-007可直接輸出大于7W、80MHz的飛秒脈沖激光，脈沖寬度~120fs，中心波長1035nm。此外，輸出激光還具有優(yōu)異的光束質(zhì)量和長期穩(wěn)定性，兩維M2小于1.2，12小時連續(xù)運轉(zhuǎn)功率均方根值小于0.3%。
Fermion-007 光譜及脈沖寬度測量
Fermion-007 光束質(zhì)量及長期穩(wěn)定性
工程化是激光器從實驗樣機蛻變成可用產(chǎn)品的核心環(huán)節(jié)。Fermion-007采用了低熱阻晶體封裝、一體化密封、溫濕度負(fù)反饋控制等多項工程技術(shù)，并對腔體、冷卻模組的設(shè)計進(jìn)行了模擬優(yōu)化，以降低高泵浦熱量對激光器運行環(huán)境的不利影響。激光器采用克爾透鏡鎖模（Kerr-lens mode locking）作為飛秒脈沖產(chǎn)生、維持的機制，相比可飽和吸收體（SESAM）具有更長的壽命和更高的器件可靠性。此外，研發(fā)團(tuán)隊首次將新型“射頻同步技術(shù)”應(yīng)用到Fermion-007中，用以自啟動及維持飛秒鎖模狀態(tài)，從根本上克服了克爾透鏡鎖模飛秒振蕩器長期存在的“失鎖”問題。
Fermion-007 機械熱分布及水路的模擬
重點應(yīng)用與項目合作高功率飛秒振蕩器在雙光子顯微成像、光參量泵浦等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，超快電鏡、超快電子衍射等標(biāo)準(zhǔn)化儀器對此類激光器的市場需求也在迅速提升。超快電子顯微鏡（Ultrafast electron microscopy(UEM)）是由傳統(tǒng)電鏡升級改造而成的高端分析儀器，“飛秒激光驅(qū)動光陰極”系統(tǒng)是其新增的核心模塊。升級后的超快電鏡除了擁有原子尺度的空間分辨率外，還具有飛秒-皮秒尺度的超高時間分辨率，由此成為研究材料動力學(xué)過程的有力工具。
Fermion系列產(chǎn)品在超快電鏡中的應(yīng)用
研發(fā)團(tuán)隊與相關(guān)系統(tǒng)商開展了新型超快電鏡開發(fā)的前沿合作，首次提出利用飛秒振蕩器產(chǎn)生高重頻的超快電子，以降低激光脈沖對光陰極造成的損傷風(fēng)險。該方案有望從根本上解決此類儀器長期存在的光陰極可靠性問題，提高超快電鏡產(chǎn)品的使用壽命和市場競爭力。據(jù)合作系統(tǒng)商的預(yù)估，超快電鏡未來3年總市場需求量可達(dá)到50臺/年。
研發(fā)團(tuán)隊介紹
研發(fā)團(tuán)隊介紹
高功率飛秒振蕩器是量子院全光量子源團(tuán)隊于子蛟助理研究員主導(dǎo)完成的研究項目。全光量子源團(tuán)隊于2020年由魯巍教授組建，隸屬于北京量子院技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)中心。團(tuán)隊致力于打造支撐量子產(chǎn)業(yè)相關(guān)的關(guān)鍵激光設(shè)備，包括超快超強激光裝置（TW-PW系統(tǒng)）、激光加速桌面光源及應(yīng)用、新型高端科研飛秒激光器的前沿技術(shù)研究、產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化落地。
