超快碟片激光器的技术原理以及应用分析

（文章来源：激光天地）

高平均功率二极管泵浦固体激光器(DPSS)是科研和工业应用中不可或缺的工具，但DPSS激光器的一大特点是需要高效散热以防热光畸变。使用超薄碟片作为激光增益介质是解决这个问题的一种重要途径，这样不仅能用更大的泵浦光斑提高功率，也有利于产生高峰值功率超短脉冲。因为激光只通过很薄的材料，所以高峰值功率不会形成有害的非线性光学效应。基于掺镱介质尤其是Yb:YAG(掺镱钇铝石榴石)的飞秒激光器的平均功率已达千瓦级。自从1994年碟片激光器问世以来，研究人员不断改进基本结构和增益材料，提升各方面的性能规格，有望解锁很多科研和工业应用。

碟片激光器充分利用增益材料的几何形状高效散热。碟片厚度一般在0.1毫米左右，横向约几个厘米。左下图为碟片激光装置通过棱镜和抛物面镜等光学元件使泵浦光束在碟片上多次反射，右下图为放大显示的已安装碟片。因为激光和泵浦光斑直径都远大于碟片厚度，热量很快就能流向背面的散热片。尽量减薄碟片能够有效减少激光工作时累积的热量。由于光学、热学和机械性质俱佳，Yb:YAG是目前碟片激光器的标准增益材料。

碟片前表面镀增透膜，后表面镀高反膜，整体是一种有源反射镜结构，能够高效吸收泵浦光，提高光学效率。但是，由于碟片太薄，一次反射无法产生足够的吸收，因此可以靠近碟片安装一个抛物面反射镜，通过泵浦光的多次反射增加吸收。碟片单次反射产生的激光增益只有10%左右。碟片激光器单位长度的增益要远高于光纤激光器，在光学共振腔中放入碟片就足以输出高平均功率。

具体的实施办法有两种：锁模振荡器和再生放大器(下文通过苏黎世联邦理工学院Ursula Keller碟片激光器团队的研究成果详细介绍)。另外，使激光在碟片上多次反射，不用光学共振腔也能显著放大，这种情况可以使用先进的多通放大器。碟片激光器是实现100瓦以上超快激光系统的主要商用技术之一，广泛用于材料加工，比如制备微米级精度的特征结构。1皮秒左右超短脉冲可快速消融目标区域，避免热量传递到周围材料，从而产生清晰的特征结构，因此在这类加工中很有优势。

碟片激光可以加工的材料很多，特别是通过非线性频率转换产生紫外光时。这些激光器已广泛用于蓝宝石、显示器玻璃、陶瓷、金属箔类和喷油嘴等高难材料的切割和钻孔。商用超快碟片激光系统包括通快的TruMicro和Dira系列以及Dausinger + Giesen的VaryDisk系列。

除了工业应用，近年来科研应用也促进了高脉冲能量、高平均功率激光系统的发展，使用近红外泵浦光驱动非线性效应得到二级光源。比如，通过非线性脉冲压缩使峰值功率达到太瓦(TW)级甚至更高、通过高次谐波产生极紫外阿秒脉冲、通过光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)产生近红外或中红外极短脉冲，并在泵浦探测实验用于研究飞秒或阿秒超快激光和物质的相互作用。

这些科研应用都需要高能量脉冲。由于过去激光系统的平均功率往往有限，因此要使用较低的重复频率。但随着现代工业激光技术的发展，情况已不复如此。通过高功率泵浦激光可以大大提高重复频率，以此提高实验灵敏度和速度，而且装置大小适中，能在一般科研实验室使用。另外，欧洲极端光基础设施(ELI)等重要超强激光研究所都在致力于推进高能量、高重频光源的发展。

为了满足超强激光的严苛要求，存在各种高功率激光技术，包括碟片、光纤和板条放大器。碟片再生放大器的主要优势是能够在极高脉冲能量时提供衍射极限性能。比如，近年来超快碟片激光系统已达到千瓦平均功率和200 mJ脉冲能量，焦耳量级脉冲能量将是下一个突破目标。

很多高功率激光系统采用MOPA(主振荡功率放大器)结构，将低功率振荡器的展宽脉冲导入多级放大器，然后再次压缩，这样实施相对复杂。碟片技术执行则更简单：直接通过锁模激光振荡器产生亚皮秒高功率脉冲。

关于碟片振荡器的锁模，可以在共振腔中使用半导体可饱和吸收反射镜(SESAM)。SESAM支持功率倍增，而且通过激光共振腔的优化设计，能将热透镜效应对碟片的影响降至最小，从而以高平均功率稳定工作。而且还能稳定载波包络偏移频率，这对于阿秒泵浦探测实验非常重要。自从2000年锁模碟片振荡器实验成功以来，Keller团队不断在超短脉宽和高平均功率两个方面取得突破。

超快碟片激光器近年来有三大技术挑战：如何管理腔内强光学非线性效应？如何用有限的高功率增益材料获得更短的脉冲？如何放大平均功率？空气的光学非线性是锁模碟片激光器面临的老难题。强脉冲改变空气折射率，足以影响超短脉冲的稳定形成。所以目前最高功率都是在近真空环境中取得的，这让实验装置更为复杂。

这个问题的解决方法之一是在激光共振腔中加入特殊设计的负非线性晶体，以此抵消腔内气体的正非线性效应，从而使激光器能在环境气压下工作。通过这种实用方法，Ursula Keller碟片激光团队在2018年成功研制出脉宽780 fs、平均功率210 W的SESAM锁模Yb:YAG碟片激光器。

为了比SESAM锁模Yb:YAG碟片激光器产生更短的脉冲，另一个研究方向是寻找新的增益材料。Yb:Lu2O3或Yb:CaGdAlO4等材料有望达到YAG的平均功率性能，而且由于发射截面更宽，因此支持更短的脉冲。但是，这些材料在高功率和短脉冲增益之间需有所折中。

如果仍然使用成熟的Yb:YAG材料，修改锁模机制才能产生更短脉冲。比如，2014年德国马克斯普朗克量子光学研究所Jonathan Brons等人通过克尔透镜锁模(KLM)振荡器取得的最高270 W的平均功率，证明KLM既能提高功率，而且由于其快速非线性响应还能产生更短的脉冲。理想的锁模机制需要同时具备SESAM和KLM的优势，1988年Stankov提出的倍频非线性反射镜锁模技术就同时具备这两种优势。这种技术早期成功用于块状晶体激光器，不过峰值功率有限。

Ursula Keller团队2017年将倍频非线性反射镜锁模技术成功用于碟片激光器。在最初的原理验证中，碟片激光器能够产生脉宽最短323 fs、平均功率21 W的脉冲，后续将功率提高至87 W，不过脉宽为586 fs。使用商用低吸收非线性晶体突破100 W量级看起来也很可行。
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