高可靠性的飞秒激光放大器，满足 SwissFEL 多用户模式的高效研究

挑战

自由电子激光器 (FEL) 是一种“大科学”装置，长度通常为数百米，可产生从微波到 X 射线波长的强飞秒脉冲。SwissFEL 位于瑞士北部的保罗谢勒研究所 (PSI)，是用于产生 X 射线脉冲而设置的自由电子激光器：波长范围 1 Å 至 70 Å。自 2016 年以来，它为多个不同的用户提供服务，用于研究物理、化学和生物学中的超快动力学。这些实验主要采用具有两束飞秒脉冲和可变延迟的泵浦/探测方法。因此，SwissFEL 团队将飞秒激光作为泵浦光，自由电子激光器产生的 X 射线作为探测脉冲。实验的关键因素是确保特定 (100 Hz) 重复频率下的高脉冲能量、优良的光束质量和高可靠性。

解决方案

SwissFEL 的 Steven Johnson 教授解释说：“我们需要 20 毫焦的脉冲能量、高光束质量的激光器，这样即使非线性转换效率比较低（例如太赫兹辐射），也能实现最终的高脉冲能量输出。这就需要使用钛宝石 (Ti:S) 放大器。然而，大多数商用钛宝石放大器的重复频率为 1 kHz ，而我们的自由电子激光器需要 100 Hz的脉冲频率，因此我们希望激光放大器可以实现这种低频脉冲。”此外，Johnson 指出可靠性非常重要。他说：“我们的实验日程非常紧凑，来访者需要提前几个月申请，而且他们只有五天的时间进行实验。放大器必须为每个用户保证每天 24 小时的优异性能。绝对不能接受放大器出现意外故障。因此，激光器的性能指标需按照我们的要求定制，同时还要具备很高的可靠性。”PSI 此前对相干公司超快激光器的可靠性有很好的使用体验，因此决定购买两台经过定制的 Legend Elite 放大器，该放大器可在 100 Hz 下输出 20 mJ，并还有余量，几乎免维护。

结果

Johnson 表示，这些放大器的可靠性远远超出了预期。他引用了大量基于 SwissFEL 实验的已发表论文作为依据。这些论文包括生物学家对蛋白质的瞬态研究，以及他自己对材料的快极化过程的研究。并且，基于前两台设备的卓越性能， Swiss FEL（2020 年）订购了第三台相干公司钛宝石放大器。

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