文 | 朱晓1, 朱广志1, 王海林1, 钱小峰2, 单平3
3. 鞍山华科大激光科技有限公司
目前，高功率皮秒激光器都是采用光纤皮秒种子源+激光多级放大技术路线。根据激光放大介质的不同，可分为高功率光纤皮秒激光器、高功率板条皮秒激光器、高功率薄片皮秒激光器，采用上述3种激光介质作为放大器，都实现了平均功率1 kW，单脉冲能量大于10 mJ的皮秒激光输出，如图1所示。
图1 现有千瓦毫焦级皮秒激光器技术方案
基于光纤技术路线，采用啁啾脉冲放大技术（Chirped pulse amplification，CPA）结合多脉冲的相干合成技术可实现高功率、大能量的皮秒激光输出。目前德国耶拿大学采用该路线通16路的合束实现了平均功率1 kW、单脉冲能10 mJ、脉冲宽度0.12 ps的激光输出[1]。基于该技术的商业化，耶拿大学成立了Active Fiber System公司，该公司的Ytterbium-2000激光器可输出平均功率2 kW、单脉冲能量20 mJ、脉冲宽度5 ps的红外激光[2]。
基于板条技术路线，采用部分端面泵浦混合腔板条结构（Innoslab）。单级Innoslab放大器可以实现数百瓦的激光输出，通过多级放大，目前德国Amphos公司的Amphos5206板条皮秒激光器可输出平均功率1 kW、单脉冲能量20 mJ、脉冲宽度1.5 ps的红外激光[3]。同时基于板条技术路线，德国Edgewave公司的FX600激光器，可实现平均功率600 W、单脉冲能量3 mJ、脉冲宽度0.4 ps的激光输出[4]。
薄片技术路线可进一步分为两种：薄片再生放大器和薄片多程放大器。基于薄片再生放大技术，目前德国通快科学公司研制的Dira1000激光器采用TruMicro2000系列光纤激光器作为种子光（平均功率10 W，重频100 kHz，单脉冲能量100 μJ），在再生放大腔中串接两个Yb:YAG晶体薄片，在重频20 kHz时，实现了平均功率1.95 kW、单脉冲能量97.5 mJ、脉冲宽度约0.5 ps的红外激光输出。同时该激光器在重复频率5 kHz时可获得平均功率1 kW、单脉冲能量209 mJ、脉冲宽度约0.5 ps的红外激光[5]。
基于薄片多程放大技术，目前德国通快公司在未采用CPA技术的情况下，采用TruMicro2000系列光纤激光器作为种子光（平均功率20 W，重频400 kHz，单脉冲能量50 μJ），通过两级Yb:YAG晶体薄片多程放大器，实现了最高平均功率1.9 kW、单脉冲能量4.8 mJ、脉冲宽度约1 ps的激光输出。当种子重频降低到25 kHz时，实现了平均功率1.2 kW、脉冲能量46.7 mJ（由4个11.7 mJ脉冲组成的脉冲串）、脉冲宽度约1 ps的激光输出[6]。通快公司也采用TruMicro6000激光器（平均功率285 W，重频375 kHz，单脉冲能量760 μJ）作为种子源，通过一级Yb:YAG晶体薄片多程放大器，实现了平均功率2.3 kW、单脉冲能量6.07 mJ、脉冲宽度8.5 ps的激光输出[7]。
（1）片状晶体激光增益镜已完成小批量试制
片状晶体激光增益镜的设计与制备技术是保证脉冲薄片激光器安全、稳定高效运行的基础，也是主要技术难点之一。
针对高平均功率、高峰值功率运行的薄片激光脉冲特点，攻克了薄片激光晶体下表面所需的高损伤阈值及高热导热率的高反膜系（HR@940&1030 nm）的设计与制备、薄片晶体ASE效应使得薄片晶体边缘温度过高问题、在保障薄片晶体高质量面型条件下，薄片晶体与热层的有效焊接等关键技术。通过初期在俄罗斯研制片状晶体激光增益镜，然后部分制造工艺在国内制造，最后全部在中国制造的研制过程，引进了俄罗斯蒸镀铟和冷压焊接一体化设备，实现了片状晶体激光增益镜制造技术的国产化，形成了国内片状晶体激光增益镜的完整产业链，为脉冲薄片激光器的产业化奠定了基础，实物图见图2，性能指标见表1。
图2 （a）俄罗斯研制的薄片激光增益镜；（b）技术转移到中国研制的的片状晶体激光增益镜
大口径高衍射效率声光调制器件不仅是脉冲薄片激光器实现纳秒调Q脉冲输出的核心器件，还广泛应用于超快激光器的脉冲选择、各类激光器的分光、激光光束的无惯性高速高精度扫描。声光调制器是激光加工行业基础性通用器件，实现了声光器件的产业化，满足了国内对该器件的急需。
目前形成量产（3000只/年）的声光调制器件见表2：
表2 声光调制器种类
图3是国产AOQ和AOM的实物图，表3是其技术指标。
图3 （a）有效通光口径6 mm的声光调Q开关；（b）批量生产的AOM
表3 国产AOQ和AOM的技术指标
（3）多程泵浦模块实现小批量试制
经多次优化和迭代，泵浦模块使用的抛物镜口径缩小到110 mm，泵浦次数仍然达到48次，共轭成像多次泵浦模块的体积为120 mm×120 mm×130 mm。
国产共轭双抛物泵浦模块的实物图见图4，其技术指标见表4。
图4 国产的多程泵浦模块
表4 国产共轭双抛物泵浦模块技术指标
双抛物镜共轭成像多程泵浦模块，不仅体积小，还随着片状增益镜热阻的降低和冷却指的优化，使得模块中冷却指的冲击冷却压力大幅降低，原来使用的高压水泵由正常水箱的水泵所替代，为系列脉冲薄片激光器的小型化奠定了基础。
2、基于自研的核心器件，完成了两类（纳秒级和皮秒级）脉冲薄片激光器工程样机
100 W纳秒薄片激光器采用声光调Q技术实现。声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理实现对谐振腔内损耗进行控制，在腔内处于高损耗时积累反转粒子数，增益介质储存能量，并在谐振腔处于低损耗时迅速消耗反转粒子数，将增益介质中储存的能量转化为光子，迅速释放实现短脉冲激光输出。100 W声光调Q薄片激光器的结构如图5所示，在基于薄片增益介质的V型腔中加入声光调制器(AOM)。泵浦源采用最大抽运功率为1000 W、光纤输出口径为330 μm、波长为 940 nm的半导体激光器。
图5 100 W声光调Q薄片激光器结构图 (a) 和输出功率 (b)
在不同泵浦功率下对激光器的各项输出参数进行了测量，连续以及3 kHz重复频率下调Q输出的平均功率如图5所示，在泵浦功率为500 W时，重复频率为3 kHz时可获得102 W的激光输出，此时的脉宽宽度约为323 ns，因此计算可知此时输出激光脉冲的峰值功率超过了100 kW。经过测量输出激光的光束质量约为5 mm•mrad。
（2） 200 W纳秒级电光腔倒空薄片激光器
200 W纳秒薄片激光器基于电光腔倒空技术实现。200 W纳秒级电光腔倒空薄片激光器的结构如图6所示。采用最大抽运功率为1000 W、光纤输出口径为330 μm、波长为940 nm的半导体激光器直接耦合到泵浦模块实现泵浦光的注入。泵浦光斑为直径约4.6 mm的圆光斑。谐振腔由一片平面全反镜和一片曲率半径为1.5 m的凹面全反镜构成。
图 6 腔倒空薄片激光器结构图 (a) 和输出特性 (b)
除此以外，为了实现激光器运转腔倒空调Q状态，谐振腔中还包括薄膜偏振片 (TFP)、四分之一波片（λ/4）以及电光普克尔盒，普克尔盒由两块8 mm×8 mm×23 mm的BBO晶体构成（福晶科技BPC-8BD-L），其1/4电压为3.97 kV，晶体采用了水冷结构封装，以实现工作在较高的平均功率。
设定激光器的重复频率为100 kHz，不同泵浦功率，腔倒空调Q薄片激光器输出的平均功率如图6所示。最高在泵浦功率为718 W时，获得了253 W的稳定光脉冲输出，脉冲宽度约为14 ns。同时测量其光束质量约为3 mm•mrad。
（3）300 W纳秒级MOPA薄片激光器
300 W纳秒级MOPA薄片激光器采用振荡级加薄片多通放大技术来实现。其主要结构如图7所示，其中纳秒振荡器为平均功率160 W，重频6.8 kHz，脉冲宽度约430 ns的声光调Q薄片激光器，放大级为通过薄片晶体15次的多通放大器，在泵浦功率为650 W时，获得了平均功率为312 W的激光输出，其中x、y方向的光束质量因子分别为13.6 mm•mrad和6.1 mm•mrad。
图7 300 W纳秒MOPA薄片激光器原理图
（4）100 W 800 ps薄片再生放大器
100 W皮秒激光器基于种子光加薄片再生放大器来实现。基于再生放大技术100 W的激光再生放大器结构如图8所示，其中皮秒种子通过分布式反馈（DFB）半导体激光器产生，脉宽约为800 ps，经过后置掺镱光纤放大器，种子光的平均功率达到100 mW，其重复频率在100 kHz~1 MHz可变。
两个薄片模块的泵浦光斑均为4 mm×4 mm的方光斑，分别采用最大功率为700 W（长光华芯EB-DDLF-700）和1000 W（凯普林BDL-CW1000-940）的波长为940 nm的光纤耦合输出半导体激光器作为泵浦源。其中为了保证激光光斑在两个薄片晶体上具有相同的尺寸，采用4F成像的结构（M3、M4、M5构成）将两个薄片模块串接起来，其中4F系统中的聚焦凹面反射镜为M3和M5，其曲率半径为1 m，分别与对应薄片晶体的距离为0.5 m。通过调节端镜M6（曲率半径为1 m）的位置实现与薄片晶体的热焦距进行匹配。
在重复频率100 kHz和200 kHz激光再生放大器的输出功率，如图9所示。重频100 kHz时，每个薄片泵浦功率为500 W时，得到的输出功率为96 W，此时光光转换效率约为9.6%，斜率效率约为17.8%。在重频200 kHz时，每个薄片泵浦功率最大设置到600 W，此时最大输出功率为126 W，光光转换效率约为10.5%。
图9 100 W皮秒薄片激光器输出功率特性：（a）功率曲线；（b）脉冲宽度
（5）200 W 800 ps薄片多程放大器
200 W 800 ps薄片激光器采用薄片再生放大器加薄片多重放大器的技术方案实现，其基本结构如图10所示，其中再生放大器为单碟片再生放大器，种子源为 800 ps的DFB半导体种子源，多重放大器为双抛物面多重放大器。其输出功率特性如图11所示，当再生放大器的种子为59 W，多重放大器的泵浦为761 W时，输出功率为213 W。测量此时的两个方向的光束质量因子分别为 11.2 mm•mrad和3.2 mm•mrad。
图11 200 W 800 ps薄片激光器输出特性
上述成果是在国家重大研发计划“战略性国际科技创新合作”重点专项中的“基于薄片增益介质的系列脉冲激光器合作研发（2016YFE0202500）”项目支持下完成，初步完成了全国产化脉冲薄片激光器的起步工作，现有技术水平离德国差距较大，后续还要加倍努力，提升脉冲薄片激光器的各项性能指标，也欢迎国内同行和投资商一起实现脉冲薄片激光器的产业化。
参考文献：
1.H. Stark,et al.OL. 2021, 46(5): 969-972
2.https://www.afs-jena.de/
3.http://www.amphos.de/
4.https://www.edge-wave.de/
5.P. Krötz,et al.ASSL.2019.ATh1A.8
6.T. Dietz,et al.OE.2020,28(8):11415-11423
7.Michael Scharun,et al.Proc.SPIE.2022:
朱晓，华中科技大学，教授，主要从事薄片激光器和激光加工技术研究
朱广志，教授，主要从事薄片激光器和荧光制冷技术研究
王海林，副教授，主要从事薄片激光器和光学设计研究
钱小峰，武汉市威佳激光有限责任公司总经理，主要从事声光器件研究
单平，鞍山华科大激光科技有限公司副总经理，主要从事片状有源增益镜研究
