高功率纳秒脉冲单频780nm激光器

2026-07-11
780 nm激光在量子科技领域具有广泛应用。随着技术的发展，对780 nm光源提出了更高要求，而光束扩展、光路损耗以及多脉冲操作等实际应用因素，也进一步提高了对激光平均功率的需求。因此，发展高功率、窄线宽、MHz级重复频率的780 nm纳秒脉冲激光源具有重要意义。
LBO晶体具有较高损伤阈值和更好的热稳定性，适用于高功率脉冲倍频，但其非线性系数较低，因此需要高峰值功率且光谱质量良好的基频光源驱动。然而在窄线宽条件下，1560 nm光纤放大过程容易受到受激布里渊散射限制，使得高功率与窄线宽难以兼顾，因此LBO倍频获得高功率脉冲780 nm激光仍然面临挑战。
我们基于单频1560 nm光纤激光放大与LBO单通倍频技术，实现了一种高功率、高重复频率的780 nm纳秒脉冲单频激光源。在10 MHz重复频率下，系统实现了最高17.2 W的780 nm平均输出功率，对应25.03%的倍频转换效率，脉冲宽度约为1.85 ns，激光光束质量达到M²≈1.06，近衍射极限输出。本工作实现了目前公开报道中纳秒脉冲780 nm单频激光的高平均功率输出水平。
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图1 实验装置示意图
实验装置如图1所示。本工作采用全保偏1560 nm光纤MOPA技术路线，以DFB单频激光器作为种子源，经两级预放大和一级基于25/300 μm保偏大模场EYDF的主放大后，获得最高94.2 W的1560 nm基频输出，为后续780 nm高效倍频提供了高质量基频光源（图2）。
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图2 （a）1560 nm输出功率及后向功率随泵浦功率变化曲线，插图为输出光斑；（b）1560 nm输出光谱；（c）1560 nm脉冲波形
倍频部分采用LBO单通倍频结构，将1560 nm基频光经准直与聚焦后注入2×2×60 mm³ LBO晶体中进行倍频。晶体温度控制在129.2±0.1 ℃。在输入68.7 W基频功率条件下，最终获得了17.2 W的780 nm输出功率，对应转换效率25.03%。输出光谱和脉冲波形均保持良好（图3）。
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图3 （a）780 nm倍频输出功率及转换效率；（b）780 nm输出光谱；（c）780 nm脉冲波形
为进一步评估倍频系统性能，对LBO晶体的温度调谐特性和780 nm输出光束质量进行了测试（图4）。在不同基频输入功率下，LBO晶体均具有较宽的温度接受范围，仅需对最佳相位匹配温度进行小幅调节即可保持高效倍频输出，体现出良好的热稳定性。同时，780 nm光束质量达到 M²≈1.06，接近衍射极限。
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图4 （a）温度调谐曲线；（b）M²测量结果，插图为780 nm输出光斑形貌
此外，通过对不同重复频率下系统性能进行对比研究发现，较低重复频率下虽然可以达到更高峰值功率，但由于非线性效应增强导致光谱质量下降，从而限制倍频转换效率。因此，10 MHz重复频率在峰值功率、光谱质量和转换效率之间取得了更优平衡，实现了高效稳定的780 nm激光输出。
以上工作以“High-power high-repetition-rate nanosecond pulsed single frequency laser at 780 nm”为题发表于High Power Laser Science and Engineering上。
全文链接：https://doi.org/10.1017/hpl.2026.10171


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