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平均功率千瓦级的激光器在几个周期内的可扩展性摘要：在本文中，可以使用的为激烈几个周期激光器元件的平均功率的扩展性的基础上现代飞秒固态激光器的非线性压缩进行了研究。这样的关键部件设置，即，所述气体填充的波导，激光窗，啁啾脉冲压缩和低色散镜对于光束准直，聚焦，和光束转向镜使用的是在高的平均功率操作测试CW千瓦激光。我们证明通过中空千瓦级平均功率的长期稳定的传输毛细管和戈薇型光子晶体光纤。此外，我们表明，蓝宝石衬底显著改进的金属涂敷反射镜的平均功率能力。最终，超宽带介质镜显示微不足道升温至1kW的平均功率。总之，对于少数周期激光器缩放技术高达1千瓦的平均功率和超越呈现。1.简介现代固态激光器架构是，如今，交付高平均功率飞秒激光脉冲。最成功的在这方面的观念依靠先进的几何激活介质有效地除去的热量，这是固有的在任何类型的放大器介质的产生。这些几何形状是任一薄圆盘[1]，板坯[2]，或纤维[3]-和所有的人都表示，平均飞秒激光脉冲1千瓦量级的功率电平。由于它的低量子缺陷和相应较低的热负荷，积极离子1微米激光的选择是镱（Yb3+）。然而，由于有限增益带宽最小脉冲持续时间一般限于几到几百飞秒。另一方面，近年来，已经看到了越来越大的兴趣和在高平均功率超短甚至几个周期需求脉冲。这背后的主要驱动力一直是预见进步，例如，在产生高次谐波的字段（高次谐波）的XUV和软X射线光谱区[4,5]，激光粒子加速[6]，或阿秒理[7]。例如，高平均功率高次谐波源的可用性将促进或开拓光电子能谱[8,9]的应用，纳米成像[10]，重合检测实验[11]，或者在极紫外直接频率计量学[12]。然而，对于所有这些应用中，最短的激光脉冲是理想的。更具体地，短的脉冲使能更高效率在产生高次谐波[13]，而代所谓孤立阿秒脉冲需要很少的周期光脉冲[14]。光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）[15]，它是基于差频在非线性晶体，已成功地用于扩增几个周期的脉冲高的能量和平均功率[16-18]。然而，到目前为止这种系统的平均功率还没有超过22W[17]尽管有强大的泵的可用性激光在世界各地的许多实验室。事实上，在这功率电平，热效应已被观察到，源自由沉积在通过吸收非线性晶体的热相互作用的光波的[19]。因此，功率缩放OPCPA到千瓦级激光器的出现具有挑战性。途径解决这一问题，包括使用更高质量的晶体（低吸收）[20]和复杂的冷却策略[21]。产生几个周期的另一种成熟技术脉冲是非线性压缩，由此非线性过程自相位调制（SPM）规定的时间啁啾对应的光谱展宽。随后拆除此线性调频由适当色散元件导致脉冲缩短，并且如果损耗低，峰值的增加动力[22]。SPM的步骤通常是在波导实现的，这不仅增加了相互作用长度，但也导致横跨空间束分布的均匀展宽[23]。根据所用的脉冲能量，所采用的波导是实心纤维（亚毫焦耳）[24]，充满气体的空芯戈薇型光子晶体光纤（亚毫焦耳）[25,26]和充气毛细管（毫焦耳）[27]。时间压缩主要是用做高反射介质镜啁啾渲染这种压缩方法是有效的。此外，所有的提到的波导几何形状的有在最近几年[24-29]的100W的水平上运行。同时，这也使最高光子通量高次谐波源和多MHz的重复率[25,28,29]。尽管这种进展迅速，仍然不清楚在多大程度上非线性压缩的使用气体填充的波导的方法是平均功率可扩展性。在本文中，我们所有的深入调查报告非线性压缩的重要构建块，即毛细血管和戈薇波导，减反射涂层的窗口，啁啾镜和光束控制镜子的几个周期在高平均power.We激光脉冲找到所有需要的组件中，如果适当地选择和设计的，能承受高达1kW的平均功率展示了出色的可扩展性这个简单的非线性压缩的方法。2.实验装置和结果用于测试非线性压缩的实验装置在高平均功率曝光组件均显示在图1。共用前端是市售连续波单模光纤激光发射在1070毫微米波长（YLR-1000-SM，IPG光子），它可以和8之间操作1000Wof平均功率。在第一个实验中，该激光束被耦合到一个长1米250微米内径的熔融石英中空毛细管[NKTPhotonics公司，图图1（a）〕。由于出色的光纤激光器的空间光束质量（M21.1），我们实现高度的75％，透射的，接近的78％[30]的理论上得到的值。毛细管本身被嵌入到包围由铝制成的V形槽由一个双壁管，其不断遍历水[插图所示。图1（a）〕。这种结构确保高效散热，概述如下。输出的一小部分光束由一个楔，其近场，即，出口取样毛细管的端面，被成像到CCD照相机，而大部分命中平均功率测量探测器。优化偶联后，入射激光功率逐步增加，并在发射功率和近场在输出光束分布被记录下来。这些结果示于图2.近功率独立传输的约70％已被观察到，其导致发送的最大平均功率712瓦（图2）。它必须指出的是，起始于〜600瓦的功率电平在耦合透镜的热，透镜效应，这是由于一非优化的防反射涂层，时有发生，这需要我们移动焦镜头的z位置恢复的70％以上的透射率值。当使用优化涂料，这些热透镜效应预计将消失。除了优异的传输特性，光束质量依旧出色的高功率运行（插图图2）。虽然没有在这里进行的早期测量毛细纤维的光束质量具有类似近场光束型材已经产生了M21.1[31]的优秀值。此外，我们分析了机械的温度在毛细管用红外入口部分热成像系统（FLIRT335）。这个调查为毛细管，它具有较高的传播尤其感兴趣的损失与例如后述的可果美相比纤维。因此，存在功率的显著量的将或者由玻璃材料，表面的杂质，或在纤维安装并产生热量被吸收。实际上，在最高平均电源，无需冷却水的机械部件升温至~170℃下的毛细管的入口，而水冷却光纤的安装件降低到~52℃的温度下。在此配置中，我们通过测定进行的稳定性试验平均功率，光束轮廓，和温度在中耦合侧每2分钟为的多的时间跨度比20分钟。光束轮廓和光纤的温度保持稳定，而发射的平均功率变化仅0.7％。类似的高功率测试用一根1米长的执行一块戈薇型光子晶体光纤PMC-C-Yb7c的（GLOW光电子）。这种纤维提供的发送频带900至1100nm，并具有的模场直径为40μm[32]。纤维方面已被切割，并且第一光纤的几厘米被化学蚀刻粗糙的玻璃表面和几个余下的杂散光。因此，光纤的涂层保持未改性的光纤长度的休息。需要注意的是，无论是毛细管也不果美纤维机械地固定到V形槽，但而在其松散奠定。的可果美传输的结果试验概括于图3.毛细管类似，所发射的平均功率和近场光束分布是功率增加过程中监测。由于显着地只有0.1分贝/米低传输损耗，测传输是高达90％，并且高达900瓦的平均电源已经通过本戈薇光纤传输。它有应当指出，这种纤维只适合子30FS和不对于后述的几个周期的脉冲，由于其有限的带宽。但是，也有较大的可果美纤维带宽但是更高的传播损耗，这可能会改变要几周期脉冲时，热-光性能。类似于毛细管纤维，近场图像仍然极佳，这表明M2〜1.1的光束质量因子，如报道在其他出版物[33]。因为中空波导必须充满了气体对于光谱展宽的媒体，需要激光窗口将它们从周围大气分开。对于大功率激光束在1微米波长，这样的窗口最好制成的低吸收玻璃，如康宁7980或Suprasil300[34]。附加抗反射涂层典型地附连到这些窗口的表面，以减少反射到最小。高功率的评价不同的激光的窗口的功能是通过发送执行通过样品和记录用1千瓦的激光束的前表面上的温度分布相应的元素，如示意性地描绘在图图1（b）。注意，该样品已安装到冷却水保持器保持绝对温度尽可能低。然而，局部热负荷引起的吸收的激光光结果在径向温度梯度。测得的温度最热的点之间的差值（激光中心梁）及其周边3毫米厚的未镀膜UVfusedsilica基板，3毫米厚的抗反射涂（Layertec）紫外线熔融石英衬底和未涂覆Suprasil300基板的厚度为1毫米已被测定。这个量化横跨束轮廓的温度梯度，这导致热透镜。所观察到的温度在1千瓦的区别是对所有激光的窗口中小于2k根据以往的研究[35]。另一个重要的方面，特别是对于几个周期脉冲是合适的波束转向反射镜的可用性。由于其庞大的光谱带宽，超宽带，低光学分散是必需的。例如，在1微米的二冲程脉冲中心波长需要从频谱跨越800nm到1250纳米。金属涂层反射镜是理想适合用于此目的。银和金层，例如，提供96％的反射率和可忽略的分散在所需波长范围。然而，其有限的反射引起撞击激光功率的分数范围内被吸收金属涂层，从而导致快速加热是当高平均功率操作。这是通过一个确认实验测试与两个不同的银涂覆的执行在高温熔融石英衬底镜子（Layertec，Thorlabs公司）平均功率。镜子是安装在我们的测试床，反射在其表面上的高平均功率的激光束[图。图1（b）〕。所得测定温度差绘于图4（红和黑点）。的温度差已经在平均功率电平低增加至20K的作为涂布的50瓦加热导致衬底的隆起和一个相应的热透镜[36,37]。后者可以容易地计算出一个光束半径WM成为[37]Tkpfmamthermal22π(1)其中，Pa的吸收功率，κ是热导率，ΔT是温度差，α（5·10-7K-1为二氧化硅[34]）是热膨胀系数。对于光束半径WM3mmand20K的温差，这会导致以150m焦距热透镜。然而，空气对流接近镜面将导致密度波动和光束指向不稳定性。因此，无论是反射率涂层或κ/α的式中的比率[。（1）]镜基板的已为千瓦的平均功率增加。后一种方法已通过用金蓝宝石衬底实现的（Laseroptik）。蓝点图4代表相应这样的反射镜的高功率试验中，其示出了结果5K.起来显著较低的测量温度差到约500W平均功率。在原则上，这些反射镜可以被利用到，只要镜千瓦的功率电平基板有效地冷却。另一种替代方法可以是使用金属涂覆铜基板，它提供更高导热系数。电介质多层涂层允许高得多的反射率和较低的吸收。然而，他们必须要细心如果设计一个大的光谱带宽和低色散的需要。对于我们的具体应用中，光束控制镜应提供750和1250纳米之间的高反射率带宽。此外，平均群延迟分散（GDD）应尽可能小，和GDD振荡应保持在最低限度，使得超短脉冲不失真。注意，这样的要求可通过一个满足互补镜像。在用金属涂覆的镜子对比度特定设计只能用于特定的发生率角度。在45°反射镜的情况下，附加地，一个不同的设计已被选择为s和p极化。最后，我们测试了介质镜的平均功率能力（Laseroptik）在我们的设置图。图1（b）〕。测得的温度差绘于图5（黑，蓝，绿点）。45°镜显示出比0°反射镜稍大加热。但，即使在最高平均功率，温度上升低于4K，这对激光操作的影响可忽略（热=750米）。脉冲压缩最重要的是一个所谓的啁啾镜，其中利用以除去SPM引起的线性调频脉冲和缩短时间的脉冲。啁啾镜对，提供了一个每次反射-50FS2的负GDD（超快创新）在所需的波长范围内[29]类似地测试到GDD优化镜子（见红点图5）。整体这些反射镜加热仅仅是略高（5K）相比，与低色散镜HR。因此，所有测试的电介质反射镜适合于1千瓦平均功率乃至超越。3.结论与展望总之，所有重要的平均功率伸缩性非线性压缩积木几个周期激光脉冲进行了研究。据发现，如果良好的激光束质量的1千瓦平均设置，高效，稳定耦合功率转换成中空波导是可能的。有中空的测试毛细管和果美纤维包埋在冷却水V型槽装配取得长期稳定的712和900瓦的平均功率，分别。此外，我们表明，适当的增透膜，结合高品质玻璃具有即使在优良热-光性能达到最高平均功耗。另一方面，标准金属反射镜未能以高功率，而金涂层的蓝宝石基板显著向上延伸的操作点到由于有利的κ/α[式（1）]在衬底的值。最后，我们表明，特殊设计的电介质反射镜低群延迟色散，不仅具有很高的反射率，但也优异热光学特性高达1千瓦的平均功率，这可以通过使用高κ/α甚至进一步推[公式（1）]的衬底。所提出的研究结果对造成严重影响下一代几个周期激光器的发展。组合现代的固态激光器和非线性压缩在波导将提供几个周期的激光脉冲在在不久的将来前所未有的平均功率水平和服务苛刻的应用。例如，桌面的光子通量极紫外和软X射线源将进一步增加在至少1个数量级，从而开辟了一个多元化的领域新的应用程序。此外，提出的概念是，在原则上，也能够