深圳技术大学 | 迈向千瓦量级的超快薄片激光技术——新一代工业激光器技术平台

高重复频率（>500k Hz）、大脉冲能量（>1 mJ）、高平均功率（>1000 W）、高光束质量（M ²<1.5）的超快激光器在先进制造、材料加工、EUV产生、阿秒光源、相干X射线产生等众多领域具有非常重要的应用，一直以来都是科研和工业界追逐的目标。

薄片激光器是将增益介质从传统的棒状晶体更换为圆盘状的薄片结构，既克服了传统棒状晶体结构在高功率泵浦下的热透镜效应问题，又可以避免光纤结构由于激光损伤和非线性影响难以实现大能量的缺点, 是目前同时实现大脉冲能量、高平均功率、超短脉宽、极紫外波长的最佳方案，也被认为是新一代工业激光器的最佳技术平台之一。

薄片多通放大是目前获得大能量、千瓦级、高光束质量激光的主要技术方案之一。利用该方案，德国通快公司和斯图加特大学合作，在2020年研制出平均功率>1.9 kW的超快薄片激光器。

近日，在国家重点研发计划项目（2022YFB3605800）支持下，深圳技术大学阮双琛教授、刘星副教授团队采用近准直传输薄片多通放大技术方案，通过精密设计复杂薄片多通放大腔和薄片晶体热管理，解决了长期困扰薄片多通放大的技术难题，实现了最高平均功率1075 W@800kHz、最大单脉冲能量>1 mJ，脉冲宽度<7 ps、光束质量因子M ²<1.5、光提取效率>57% 的高性能激光输出。

相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering（Sizhi Xu, Xing Liu, Yubo Gao, Zuoyuan Ou, Fayyaz Javed, Xingyu He, Haotian Lu, Junzhan Chen, Yewang Chen, Deqin Ouyang, Junqing Zhao,  Xu Wu, Chunyu Guo, Cangtao Zhou, Qitao Lue，Shuangchen Ruan.Thin-disk multi-pass amplifier for kilowatt-class ultrafast lasers [J]. High Power Laser Science and Engineering, DOI: 10.1017/hpl.2024.XX）

千瓦级超快薄片激光系统

图1 千瓦级超快薄片激光系统

实验装置如图1所示，系统由超快种子源和多通路放大腔组成。种子源为自主研发的高功率超快薄片激光器，在800 kHz重复频率下，可以实现平均功率276 W、脉冲宽度6.8 ps，光束质量因子M ²<1.3的激光输出。为了保证种子光注入多通放大腔与泵浦光的模式匹配，将种子光通过望远镜系统准直为直径4.8 mm的光斑。种子光通过偏振器导入多通路放大腔中，多通腔由薄片晶体、多冲程泵浦系统和多通放大平面镜阵列组成。薄片激光头由自制大口径Yb: YAG薄片晶体和48冲程泵浦系统组成，其中晶体掺杂浓度9%、直径为20 mm、厚度为100 µm，薄片晶体采用第三代半导体工艺，实现了Yb: YAG薄片晶体和金刚石热沉的高质量键合。泵浦源采用969 nm锁波长的零声子线LD，可使量子缺陷降至5.8%。放大器内的所有镜片均为平面镜，采用大曲率半径薄片晶体(R>40 m)，可以实现光束在系统内进行超过36次的近准直传播，最大限度地减少非线性效应并防止高峰值功率下的光学器件损伤，其独特的设计确保放大腔热稳定性和机械稳定性，从而实现高功率激光稳定输出。

该工作利用自主研发的大口径薄片晶体和多冲程泵浦系统，基于近准直传输薄片多通放大技术，实现了高重复频率、大能量、高光束质量、千瓦级超快激光输出，验证了自研大口径薄片晶体具有支撑大能量/高功率高光束质量激光的产生和放大能力，可为更高功率、更大能量输出的超快薄片激光器提供核心器件和技术。相关研究极大的推动了我国超快高功率激光的发展，为我国阿秒光源、极紫外光刻、新能源汽车、3C电子与芯片加工、航空航天等高端制造业，提供了先进激光光源。相关结果已经权威第三方检测机构检测，大能量千瓦级超快薄片激光技术获得了2024年激光金耀新技术奖和第七届“红光奖”的“黑科技”技术创新奖，目前超快薄片激光器已经在大族激光实现产业化，打破了国外对该技术的垄断。