克尔透镜锁模——碟片激光器产生超短激光脉冲的“魔术棒”

郝婧婕¹,刘贺言¹,陈红山¹,杨婷婷¹,王海林¹,朱广志¹,朱晓^1,2,张金伟^1,2*

 

1 华中科技大学光学与电子信息学院

2 华中科技大学武汉光电国家研究中心

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新兴激光器——碟片激光器

 

1994年，Adolf Giesen首次提出了碟片激光器的概念，创新性地将增益介质从传统的棒状晶体更换为圆盘状的薄片晶体，为全固态激光器功率及能量的提升开辟了一条新的途径。

碟片激光器产生的高峰值功率激光可以作为高次谐波、宽谱中红外以及太赫兹产生的驱动源，同时也为强场物理的深入研究提供了便利。另一方面，由于碟片晶体很薄，在泵浦光单次通过的情况下其对泵浦光的吸收效率很低，因此需要多通泵浦模块来使泵浦光多次通过碟片晶体，从而提高碟片晶体对泵浦光的吸收效率。

目前，国内外众多课题组在碟片模块设计方面做了很多的工作，德国通快以及D+G公司对单个抛物面镜与大尺寸直角棱镜对进行组合，使泵浦光可以多次通过碟片来获得更高的吸收效率。在国内，华中科技大学的朱晓教授的团队最早开始了针对碟片激光器的技术研究，他们不仅掌握了碟片晶体焊接的核心技术，而且提出了基于共轭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实现多通泵浦，相关成果获得了国际专家的高度认可。

2000年，苏黎世联邦理工的derAu等首次利用半导体可饱和吸收镜（SESAM）在碟片上实现了被动锁模，其平均功率为16.2 W，脉冲宽度为730 fs，是当时百飞秒级激光振荡器所实现的最高功率，在国际上引起了针对碟片锁模技术的普遍关注。不久，基于克尔透镜锁模（KLM）的碟片振荡器也成功实现。近十年来，碟片锁模振荡器的发展非常迅速，利用这两种锁模技术的碟片振荡器的输出功率均已达到了百瓦量级，且高功率、稳定性好的工业级碟片振荡器已投入实际应用中。

目前碟片激光器的研究不仅在于碟片的制造工艺，更重要的是充分利用碟片大光斑、低热效应的优势获得高功率、大能量的激光。结合锁模技术的碟片激光器为超快高功率激光技术的发展注入了新的活力，可广泛应用在基础科研、工业生产、生物医学以及国防军事等领域。

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什么是克尔透镜锁模？

 

克尔透镜锁模是碟片激光器产生超短激光脉冲最常用的方法之一。1991年，圣安德鲁斯大学的Spence等首次研制出了自锁模的钛宝石振荡器，实现了脉冲宽度为60 fs的锁模激光输出。但是这台振荡器并没有利用锁模器件，经过研究这是利用克尔效应实现锁模的一种全新锁模方式，被称为克尔透镜锁模。

如今碟片锁模振荡器主要采用两种方案来实现：一种是克尔透镜锁模（KLM），一种是半导体可饱和吸收镜锁模（SESAM）。克尔透镜锁模可等效为一种虚拟的可饱和吸收体锁模，主要是基于克尔效应实现的，其锁模波长并不会受锁模器件的限制，适用性更强。SESAM锁模主要依赖于真实存在的SESAM器件，针对不同波长需要更换不同的器件。

在光路调节方面，SESAM锁模的谐振腔调节过程相对简易，只需保证SESAM器件表面的光斑尺寸足够小以获得高的功率密度，实现可饱和吸收，在光路搭建完成后，随着泵浦功率的逐步提升，就可实现锁模的自启动。但克尔透镜锁模需要外界的扰动才能实现，调节过程较为复杂。在锁模的调制深度上，克尔透镜锁模的调制深度会随着稳区的变化而变化，调节范围较大。而SESAM器件受制造工艺的限制，其调制深度一般<3%，这也是目前碟SESAM锁模脉冲宽度难以变窄的关键限制因素。

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克尔透镜锁模碟片激光振荡器

 

2011年，德国的Pronin等首次实现了碟片的克尔透镜锁模（KLM），打破了碟片锁模技术被SESAM器件垄断的历史。目前，碟片的KLM逐渐向高平均功率、高重复频率、窄脉宽以及新波长等方向发展。

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多通高增益KLM碟片激光振荡器

由于碟片晶体厚度薄，一个往返周期内多次通过碟片可逐次积累更高的增益。因此，可通过提高往返的增益以及输出耦合率，可提高平均输出功率。

在满足高增益的同时提高输出耦合率，可降低谐振腔内部的峰值功率，从而减小空气以及镜片镀膜所引起的非线性效应，有助于实现稳定锁模。但是在单程内增加通过碟片的次数不可避免地会增加碟片附近的平面反射镜数目，这将导致空间过于局限，从而影响光路搭建。而且随着传输距离的增长，碟片表面的模式尺寸会逐渐减小，降低了激光光斑与泵浦光斑的重合程度，减小了增益的积累量。

为解决上述问题，可考虑在谐振腔内加入基于4F成像的主动多通腔（AMC），其实验光路如图1所示。目前很多大能量的振荡器都在采用这种腔型，且这种主动多通腔特别适用于提高发射截面小的碟片晶体的输出功率。

图1 碟片多通 KLM 振荡器的实验装置图

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窄脉宽KLM碟片激光振荡器

高峰值功率激光一方面要求功率足够高，另一方面要求脉宽足够窄。与SESAM锁模相比，KLM调制深度更大，有利于在满足高功率输出的前提下实现更窄脉宽。但由于Yb:YAG材料发射谱的半峰全宽仅有9 nm，因此利用该晶体的克尔透镜锁模实现的脉宽均超过了120 fs。在已报道的结果中，KLM 碟片振荡器的最高输出功率为270 W时所对应的脉宽为330 fs，功率为155 W时对应的脉宽也有140 fs。

为实现高功率窄脉宽碟片振荡器，目前主要有三种方式，分别为：采用宽带新晶体锁模、增大克尔效应以及减少谐振腔损耗。

碟片晶体厚度薄，需选择可大尺寸生长、力学性能好、热导率高的晶体开展相关研究。如Yb:CALGO、Yb:CaF₂以及基于Yb³⁺的三氧化二物（Yb:LuScO₃、Yb:Lu₂O₃）等新型晶体相继投入研究中（相关结果如表1 所示）。其中，Yb:Lu₂O₃晶体凭借着高热导率以及SESAM锁模实现的百瓦级亚百飞秒级的高性能输出而被多次应用于KLM中。近年来，力学性能更好、造价更低的陶瓷材料也逐渐出现在人们的视野中。新材料碟片晶体虽然可以实现窄脉宽输出，但目前处于探索阶段。

表1 新晶体碟片振荡器锁模结果

通过增大克尔效应，可使锁模脉冲从增益介质中不断提取能量并将其分配至没有净增益的光谱区内，这使得利用发射谱带宽受限的晶体来实现窄脉宽输出成为可能。2022年，华中科技大学张金伟等利用分布式克尔透镜锁模（DKLM）实现了脉宽为47 fs的锁模激光输出，是一种有效的腔内压缩脉宽的途径。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2为实验光路图。

图2 分布式克尔透镜锁模碟片振荡器的实验光路图

压窄脉宽的另一种途径是减少谐振腔的损耗，脉冲宽度也会随着激光在谐振腔内的往返损耗的减小而变窄，最简易的改变谐振腔损耗的方式是更换具有不同透过率的输出耦合镜。

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高重复频率KLM碟片激光振荡器

为了实现高重复频率的振荡输出，最直接的方法是缩短腔长，但同时会带来振荡激光光斑尺寸变小的问题。此外，还可采用搭建环形腔的方式实现锁模激光。2021年，奥克兰大学基于环形腔，实现了目前环形腔碟片振荡器实现的最高重复频率（120 MHz），未来有望在现有结果的基础上进一步缩短环形腔腔长，实现更高重复频率。

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新波长KLM碟片激光振荡器

在提升Yb³⁺掺杂碟片的输出性能的同时，碟片也逐渐向新波长方向扩展，如Cr:ZnSe（2.23~2.36 μm），Tm:KLuW（~1.9 μm），Tm:YAG（~2 μm），Ho:YAG（~2.1 μm），Ho:KYW（~2.1 μm）等。目前相对集中的一个研究方向是针对Ho³⁺掺杂碟片输出性能的深入研究。Ho³⁺中5I7→5I8的能级跃迁可辐射波长在2 μm以上的激光，处于人眼安全波段，且在激光加工、激光医疗等领域具有重要应用。

泵浦源一般采用1.9 μm掺 Tm³⁺的全固态激光器或光纤激光器进行泵浦，可减少量子亏损，提高转换效率，有助于直接实现高功率的中红外激光输出。目前，Ho:YAG、Ho:KYW晶体均有相关研究。通过采用更薄的碟片晶体改善热效应并用更高功率的泵浦源进行泵浦，连续光的输出功率得以逐步提升，如今已达到百瓦量级，光光转换效率高达54%，这是目前2 μm碟片连续光所实现的最高输出功率。

2018年，华中科技大学张金伟采用KLM方式在Ho:YAG碟片振荡器中实现了2 μm飞秒激光输出，这是国际上首次实现的针对碟片的2 μm高功率锁模输出，也是目前为止唯一一个基于Ho:YAG碟片的KLM报道。

2021年，Tomilov成功在Ho:YAG碟片上实现了SESAM锁模，输出功率达到40.5 W，这是目前碟片2 μm锁模的最高输出功率，但对应脉宽仍处于皮秒量级，为1.66 ps。相信以后随着泵浦源功率的进一步提升以及更多腔型的设计，基于Ho:YAG晶体的2 μm碟片锁模振荡器将会获得更高性能的激光。

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克尔透镜锁模碟片激光振荡器的应用

 

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驱动宽谱中红外及太赫兹激光产生

碟片振荡器具有高平均功率以及高峰值功率的优势，且输出脉冲稳定，非常适合用于非线性频率变换的驱动源，可产生宽谱的中红外激光(2~20 μm)及太赫兹激光(0.1~10.0 THz)。

目前，常用的中红外产生的晶体主要有KTiOAsO₄ (KTA)、LiGaSe₂ (LGS)、ZnS、ZnSe、GaSe等。目前产生THz常见的非线性晶体有LiNbO₃、LiTaO₃等无机晶体以及GaAs、GaP、CdTe、ZnTe 等有机晶体。

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碟片放大器种子源

由碟片振荡器输出的大能量超快激光可作为碟片放大器的种子光。种子光的能量越高，在再生放大过程中达到能量饱和所需要的往返次数就越少，普克尔盒以及空气所积累的非线性相移就越少，有助于减小自相位调制对输出脉冲的影响；另一方面，往返次数少削弱了增益窄化效应的影响，相对较宽的脉冲宽度会使得峰值功率降低，更有助于大能量激光的实现。

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光电子成像

强场物理对激光峰值功率的要求在几十MW以上，峰值功率密度为10¹³ ~10¹⁵W/cm²量级，利用碟片振荡器直接输出的超快MHz量级的脉冲经压缩后可应用于强场物理研究中。经紧聚焦后的高功率密度激光作用于靶材上，可激发靶材内部原子或分子产生多光子电离。利用这种光电子成像光谱技术可确定电离后的光电子动量分布，理解光电子的激发通道。高重复频率的锁模激光相比kHz量级的放大器，在大量积累光电子数方面耗时更短，在探测效率上提升了至少四个量级。碟片锁模振荡器在光电子成像上具有探测时间短、信噪比高、精度高的优点。

小 结

 

碟片激光器相比于块状以及棒状固体激光器，具有散热效率高、热效应小、光束质量好等优势，可以产生更高功率和能量的激光。利用克尔透镜锁模技术，碟片激光振荡器可以产生平均功率达270 W、脉宽为300 fs左右的超快激光脉冲；在克尔透镜锁模技术的基础上，通过进一步增加调制深度，碟片振荡器可以获得比增益光谱半峰全宽还要宽数倍的锁模光谱，因此可以获得50 fs量级的脉冲宽度。

克尔透镜锁模碟片振荡器在输出高功率、短脉宽、高能量的超快激光脉冲方面展现出强大的能力。目前，克尔透镜锁模碟片振荡器正在向着平均功率为kW量级脉冲能量为mJ量级的方向进一步发展。振荡器直接输出这种高功率、大能量的脉冲激光，可减少放大级的引入，从而使整个激光系统具有更好的光束质量和长期稳定性，且系统结构更为紧凑，同时输出激光的噪声基底也会更小。然而，功率的提升会导致振荡器谐振腔内的峰值功率变高，不可避免地带来非线性的影响，容易导致空气击穿效应，阻碍锁模的实现。

为避免高峰值功率所引入的锁模不稳定的问题，一方面，可将整个激光系统放置在真空腔中，以减小空气非线性的影响；另一方面，可采用含有主动多通腔的光路，在获得高增益的同时配合使用高透过率的输出耦合镜以实现高功率输出。此外，碟片在更高功率泵浦时所带来的热透镜问题以及啁啾镜的热效应也是不可忽略的，这需要及时在腔内加入相应的曲面反射镜并同时加强对啁啾镜热效应的管理。

随着超快碟片激光技术的发展，其应用将会越来越广，高峰值功率、高重复频率的克尔透镜锁模碟片振荡器在高次谐波产生、光学频率梳、激光微纳加工等领域也将发挥重要作用。