文 / 李刚，刘锐，公发全，戴隆辉，雷希音，滕飞，李想
高功率超短脉冲激光由于其极高的脉冲能量、峰值功率和优异的光束质量，在太赫兹产生、光学频率梳和高次谐波等科研领域有着极为重大的应用价值；在工业微加工和医疗等领域也有重要应用。随着对超短脉冲激光应用需求的不断提高，如何获得更高能量、更高平均功率和更好光束质量就成了需要解决的重大问题。
传统块状结构增益介质的飞秒脉冲激光器由于受到高功率下热透镜效应的限制，能够输出的功率难以突破百瓦量级。采用增大增益介质长径比的光纤激光器虽然减小了热透镜效应的影响，但高峰值功率带来的受激布里渊散射等非线性效应仍然会导致功率放大受限。
1993年，德国斯图加特大学Giesen[1]教授首次提出一种将增益介质“压扁”，从而提升其径厚比的碟片固体激光模型，晶体内废热流向仅沿Z方向轴传输，大大解决了传统棒状固体激光器的散热问题。经过多年发展，高功率碟片激光器以其在结构、效率和光束质量上的技术优势，成为大能量、高平均功率、高重复频率超短脉冲激光器的重要发展路线[2-3]。
碟片激光器利用多通泵浦结构，将泵浦光多次反射至厚度为百微米量级的片状增益介质上，来获得高效率的泵浦吸收；极薄的增益介质结合背向冷却技术，大大减小热透镜效应与非线性效应。相较于光纤激光器，碟片激光器的增益区域（cm）比光纤激光器的增益区域（μm）高1~2个量级，在高平均功率、大能量超短脉冲激光器领域更具优势。
目前，国外以德国通快和D+G两家为代表的公司，掌握着高能碟片激光的核心关键技术，已经推出系列化商品，在售设备最高输出水平为纳秒TruMicro7070（100 mJ，30 ns）、皮秒TruMicro 5080（@1030 nm，250 μJ，＜10 ps；）和飞秒TruMicro 5080-femto edition（@1030 nm，200 μJ，900 fs；TruMicro 5080）等型号。
目前单碟片激光器连续多模输出功率已达10 kW；基于双碟片偏振组束技术，基横模输出功率为10 kW[4]。这充分验证了碟片激光器多程腔、泵浦光的整形匀化、晶体的制备、晶体的高效换热和晶体的封装等关键技术的可靠性。最近，基于通快碟片的多程放大或再生放大，脉冲能量已经达到720 mJ，脉宽920 fs，重复频率1 kHz[5]。这是目前报道的kHz脉冲激光的最高水平。
2022年4月26日，德国慕尼黑光博会上最新推出了一种采用通快自研激光光缆（LLK）双路二合一环芯可调技术的双碟片激光器，连续激光最高输出功率达24 kW。
国内方面，华中科技大学朱晓团队[6-10]自主研制了基于共轭双抛物面镜的多通泵浦技术，目前已实现48程泵浦结构，具备千瓦级连续激光输出能力，同时在纳秒、皮秒和飞秒碟片激光器研究方面也取得了较好的技术进展。
中国科学院大连化学物理研究所李刚团队在碟片激光领域坚持进行了十余年的研究，已自主掌握千瓦级泵浦碟片激光的全部关键核心技术，具备碟片晶体加工、镀膜、换热、封装以及24、48、72程泵浦结构装调等全链条研发能力，性能基本达到国外水平；并建立了近红外[11-15]和中红外超短脉冲激光研究平台。
碟片晶体单程吸收较低，为提升泵浦光的吸收效率，需将泵浦光多次通过碟片晶体。目前应用于碟片激光器的多程泵浦结构大致分为4种类型，如图1为多程碟片激光器结构，分别是（a）棱镜式多程结构架构；（b）贴片式多程结构；（c）对角棱锥式多程结构；（d）双抛物面镜多程结构。
为进一步提高激光晶体的换热效率，可以进一步减薄晶体厚度，并通过增加泵浦光通过晶体的次数来提高晶体对泵浦光的吸收效率。2018年，德国马普所[16]报道了72程的中红外Ho:YAG碟片激光；2022年，中科院大连化物所[17] 报道了基于72程泵浦的腔倒空白瓦级纳秒激光。
泵浦光束的强度分布均匀性直接影响输出激光束均匀性和光束质量，影响泵浦能量的提取效率。半导体激光作为泵浦源，其光强空间分布均匀性差，即使是带尾纤输出的二极管泵浦源，其强度也是高斯分布，需要通过特殊整形系统对其进行平顶化处理。
目前针对不同泵浦方案，发展多种整形方法，其中包括衍射光学元件整形法、匀化棒整形法、非球面镜整形法、微透镜阵列整形法等。国内中科院大连化物所和华中科技大学都已具备泵浦功率大于万瓦级匀化准直技术，如图2为碟片激光晶体上的平顶泵浦光斑及强度分布图（4000 CW）及六边形匀化棒。
图2 碟片激光晶体上的平顶泵浦光斑及强度分布图 (4000 CW) 及六边形匀化棒
碟片晶体的厚度通常只有百微米，其热流密度方向仅沿着厚度方向一维传输，同时由于碟片晶体采用单面泵浦背向冷却的工作模式，泵浦光需要有一定角度通过抛物面镜聚焦于晶体之上，如图3所示为多程碟片激光系统结构示意图。
以24程结构为例，当LD泵浦源输出的光经整形系统耦合后被耦合进入匀化系统，使高斯光束转换为平顶光束后进入多程耦合腔内。当一束泵浦光第一次通过抛物面镜后，泵浦光第一次聚焦于碟片晶体上，一部分泵浦光第一次被吸收，剩余未被吸收的泵浦光第二次反射到抛物面镜上，并以平行光入射到45°棱镜上。经反射后再次以平行光反射到抛物面镜上，泵浦光第二次聚焦于碟片晶体上，完成二次泵浦。
周而复始，可以完成12次泵浦过程。泵浦光每进出一次晶体可以完成2次吸收，因此多程结构能够保证泵浦光（@940 nm& 969 nm）的高效吸收（99%以上）。
为保证晶体在热负荷工况下具有良好的反射面型，需要进行超薄晶体的加工技术研究，采用特殊抛光工艺加工直径大于10 mm，厚度百微米的增益介质。目前，大连化物所在晶体加工技术上具备加工后Ra＜0.2 nm@RMS，面型精度PV＜1/10λ，可加工的基质材料包括YAG、Lu2O3、YLF等。
由于碟片激光的特殊工作方式，需要采用多波段、大角度镀膜工艺，保证碟片背面高反射率和正面高透过率，且具有高损伤阈值。
图4为碟片晶体前表面单面透过率测试曲线，晶体前表面透过率≥99.5%@940~969 nm，AOI（入射角）：0°~35°；透过率≥99.9%@1030 nm，AOI：0°~15°。图5为晶体后表面反射率测试曲线，反射率≥99.99%@940~969 nm，AOI：0°~35°；反射率≥99.99%@1030 nm，AOI：0°~15°，薄膜损伤阈值≥1.2 J/cm2 @30 ps，膜层粗糙度小于1 nm。
图4 碟片晶体前表面单面透过率曲线
碟片晶体在镀膜过程中，薄膜会产生较大的压应力，导致晶体产生严重的应力形变。为解决该问题，多层膜应力补偿控制技术被提出。研究发现，通过薄膜应力调控可实现镀膜后晶体面型改变，因此采用多层膜应力补偿方式进行晶体的面型调控，如图6为晶体镀膜前、镀膜后和调控后的面形变化。从而保证与金刚石热沉封装后保持良好的面形精度。图7为大连化物所自主制备的碟片晶体（直径20 mm）加工后实物图。
图6 晶体镀膜前（PV=0.446）、镀膜后（PV=7.680）和调控后（PV=0.364）的面形变化
增益介质的热管理技术是限制高功率全固态激光器发展的重要因素。高功率泵浦下的碟片激光晶体，其体热量密度高，因此热管理问题尤为突出，必须采用具有高效换热能力的热沉，才能保证激光器的良好输出特性。因此，如何研制具有高效换热的热沉结构，成为碟片激光器的关键核心技术之一。
通过换热结构研究，设计了毫米通道冷却结构和射流型冷却结构，研制了不同口径晶体均匀散热射流冷却装置。图8为小口径（≤15 mm）射流冷却模型，最高换热系数达到2.38×105 W/(m2 ·K)。图9为大口径多孔泡沫毫米通道冷却系统及实物图，大口径（＞15 mm）毫米通道热沉平均换热系数为1.02×105 W/(m2 ·K)。
图8 小口径射流冷却模型
（hmax=2.388×105 W/m2 K，vmax=28.065 m/s）
图9 大口径多孔泡沫毫米通道冷却系统及实物图
（havg.=1.02×105 W/(m2 ·K)）
碟片晶体的封装是将超薄晶体经特殊工艺固定在金刚石热沉上，并在热沉背面采用冲击式水冷高效率地带走热量，使碟片晶体内部只存在沿厚度方向的一维热分布，有效避免热致畸变及热透镜问题。
通常热沉的材料包括金刚石、SiC、铜钨合金，为使其与超薄晶体进行连接，需要保证热沉基材加工平整度误差≤5 μm、键合界面拉伸强度≥15 Mpa@20°~120°、键合面插层厚度≤50 nm、面内残余应力≤100 Mpa。同时要求封装后超薄晶体后表面反射面型PV≤1/8λ（@632.8 nm），图10为晶体焊接后实物图及反射面型测试结果。
图10 晶体焊接后实物图及反射面型测试（PV =0.124λ）
国外方面，多是基于德国通快的多程模块展开纳秒、皮秒和飞秒激光实验研究，并且将碟片激光器从1 μm波段扩展到2 μm波段。在纳秒方面，2010年，Christian[18]等利用腔倒空调Q和腔内倍频方式，在Yb:YAG碟片激光器中获得了最大输出功率为700 W、重复频率为100 kHz的515 nm的纳秒脉冲激光输出。
通过改变调Q时的损耗，激光系统的脉冲宽度可在200 ns到750 ns之间调谐，图11为通快纳秒激光光路图。这也是在碟片激光领域获得的最高平均功率的纳秒脉冲激光器。
国内方面，2022年，中国科学院大连化学物理研究所利用自研72程泵浦结构，获得了平均功率150 W、重复频率100 kHz、脉冲宽度18.3 ns的激光输出，为目前国内最高输出功率水平，图12为基于72程泵浦的腔倒空纳秒激光器光路图。
皮秒脉冲方向，2017年，Thomas Nubbemeyer[19]等人利用双碟片再生放大方式，获得了平均功率1 kW，最大单脉冲能量200 mJ的皮秒激光输出。图13为再生放大千瓦级皮秒激光器光路图。
2021年，华中科技大学董静等[20] 采用脉宽小于10 ps的种子源，在Yb:YAG碟片激光器中获得平均功率44.2 W、脉冲宽度9.3 ps、单脉冲能量220 μJ的脉冲激光输出，放大器效率约为13.4%。基于串接的双碟片模块的再生放大器采用脉宽800 ps的种子源，在重频200 kHz时获得了126 W的激光输出，在重频100 kHz时，最大输出单脉冲能量为0.96 mJ。
飞秒脉冲方面，主要以克尔透镜锁模（KLM）和SESAM锁模为代表，其中克尔透镜锁模克服了SESAM锁模器件的损伤问题。2014年，德国PRONIN O等人[21]利用KLM锁模方法，获得平均功率为270 W、重复频率为18.8 MHz、脉冲宽度为330 fs、脉冲能量为14.4 μJ的激光脉冲输出。
由于采用特殊工艺，2019 年，德国Keller等[22]利用高损伤阈值的SESAM和腔内多程反射结构，获得平均功率为350 W、脉冲宽度为940 fs、重复频率为8.88 MHz的飞秒脉冲输出。SESAM锁模碟片激光器光路图如图14所示。这也是目前获得的功率最高的飞秒脉冲振荡器。
2022年，华中科技大学张金伟等[23]利用分布式克透镜锁模 (DKLM）获得了脉宽为47 fs的锁模激光输出，图15为分布式克透镜锁模光路图。DKLM与传统KLM的区别在于振荡器内有多个克尔介质，这将显著增大KLM的自振幅调制系数以及调制深度，从而实现窄脉宽输出。
图15 分布式克透镜锁模光路图
2022年，中国科学院大连化物所雷希音等人利用自主研制的72程泵浦结构，图16为克尔透镜锁模Yb:YAG碟片激光器光路图。在泵浦功率为72 W 时，平均功率11.78 W，脉冲宽度245 fs，重复频率81.45 MHz；在 94 W泵浦时得到22.33 W 的输出结果，脉冲宽度为393 fs。
图16 克尔透镜锁模Yb:YAG碟片激光器光路图
中红外波段方面，2021年，德国波鸿鲁尔大学Sergei Tomilov等[24]实现了最高112 W的基横模连续Ho:YAG碟片激光器，光光转化效率达到54.6%，图17为Ho:YAG碟片激光器光路图。
图17 Ho:YAG碟片激光器光路图
2022年，该研究组基于高性能2 μm SESAM器件，搭建了2 μm SESAM锁模Ho:YAG激光器，图18为基于SESAM的锁模2 μm碟片激光器光路图（a）及实验装置（b），获得了平均功率50 W，功率为1.13 ps脉冲，2.11 μJ的脉冲能量和~1.9 MW的峰值功率激光输出。
图18 基于SESAM的锁模2 μm碟片激光器光路图（a）及实验装置（b）
随着工业、医疗和国防等领域对超短脉冲激器的应用需求不断增强，基于碟片技术的高平均功率、大能量超短脉冲激光将迎来重要的发展机遇。
中国科学院大连化学物理研究所化学激光精密光学技术研究组依托多年来在强激光技术方面的技术优势，经过十余年的不懈努力，突破了包括碟片晶体的加工、镀膜、封装、高效换热、泵浦光的匀化准直、多程泵浦六大核心技术。目前已经成功研制了基于角锥式24、48、72程碟片激光模块，并进行了千瓦级泵浦的技术验证，光-光转化效率和输出光束质量与国外同类产品性能相当。
并基于碟片技术开展了ns和ps脉冲激光研究，获得了百瓦级纳秒激光输出，并搭建千瓦级多程放大纳秒平台；获得20 W克尔透镜锁模飞秒激光、百瓦级再生放大皮秒激光和百瓦级2 µm中红外纳秒激光输出。
华中科技大学采用自主研发的双抛物面镜的多通泵浦方案，使泵浦光经过抛物面镜及矫正镜后成像在碟片晶体上。利用这种自再现成像的方式研制最高48程泵浦装置，并且已经实现单碟片千瓦级泵浦，同时进行皮秒和飞秒再生放大、多程放大和克尔透镜锁模技术验证。
随着OPCPA技术的需求牵引，产生重复频率为kHz量级、峰值功率为太瓦（TW）甚至是拍瓦（PW）量级的碟片超短超强激光将成为可能，并有望替代二氧化碳激光器轰击锡滴获得新一代低功耗、紧凑型大功率EUV光源。基于现有的多程放大和再生放大技术的碟片激光器，也将在双光学频率梳、激光微纳加工和阿秒技术上获得重要应用。
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