近日，北京量子信息科學研究院（簡稱“量子院”）全光量子源團隊開發(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)幾家公司具有相當技術指標的產(chǎn)品。Fermion-007采用了多項創(chuàng)新技術，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、可靠性均達到國際先進水平。目前，研發(fā)團隊已接到超快電鏡應用領域的商業(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，往往需要對其進行功率放大以滿足應用需求。然而，這種“振蕩器+放大器”的技術路線會大大增加系統(tǒng)復雜度，導致成本變高、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用對激光重復頻率也有較高要求，因此，高功率飛秒振蕩器成為相關領域的急需產(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，是滿足應用需求的最佳技術方案。二者的具體對比見表1。
基于上述應用需求和技術路線分析，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、溫濕度負反饋控制等多項工程技術，并對腔體、冷卻模組的設計進行了模擬優(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)團隊首次將新型“射頻同步技術”應用到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，往往需要對其進行功率放大以滿足應用需求。然而，這種“振蕩器+放大器”的技術路線會大大增加系統(tǒng)復雜度，導致成本變高、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用對激光重復頻率也有較高要求，因此，高功率飛秒振蕩器成為相關領域的急需產(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，是滿足應用需求的最佳技術方案。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
基于上述應用需求和技術路線分析，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、溫濕度負反饋控制等多項工程技術，并對腔體、冷卻模組的設計進行了模擬優(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)團隊首次將新型“射頻同步技術”應用到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、光參量泵浦等領域應用廣泛。近年來，隨著相關技術的發(fā)展，超快電鏡、超快電子衍射等標準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過程的有力工具。
Fermion系列產(chǎn)品在超快電鏡中的應用
研發(fā)團隊與相關系統(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)商的預估，超快電鏡未來3年總市場需求量可達到50臺/年。
研發(fā)團隊介紹
研發(fā)團隊介紹
高功率飛秒振蕩器是量子院全光量子源團隊于子蛟助理研究員主導完成的研究項目。全光量子源團隊于2020年由魯巍教授組建，隸屬于北京量子院技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)中心。團隊致力于打造支撐量子產(chǎn)業(yè)相關的關鍵激光設備，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用、新型高端科研飛秒激光器的前沿技術研究、產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化落地。
