作為精密加工的光能輸出工具，飛秒激光器的產品升級需求也受激光制造行業的生產效能升級的影響，朝著更高功率、更大能量、更多波長等方向演化。與激光粗加工應用的高功率連續光光纖激光器的演變規律類似，大面幅精密激光加工、并行精密激光加工、高重頻高效率精密激光加工等作為謀在當前、興于未來的精密制造領域的主流方向，對飛秒激光光源有著更高、更強輸出能力的必然要求。
激光科技領域的重大科學裝置、前沿科學研究等國之重器的布局，也在多個分支領域提出了對百瓦乃至萬瓦級飛秒脈沖激光光源的期待。承蒙民用市場、科技行業的近期剛性需求和長遠戰略發展的要求，千瓦級、毫焦級高功率飛秒激光器技術和產品正在持續迭代中……
奧創光子飛秒系列產品的前端種子源是結合了非線性光纖光學機理和光纖激光工程化工藝的高穩定性、長壽命鎖模光纖激光器，其技術源于奧創光子初創團隊二十余年光纖非線性鎖模理論和實驗研究的堅實技術積累，以及工程團隊在鎖模激光器產品化轉化的不懈深耕；定位于超短超強激光產品的飛秒激光放大技術是奧創光子在突破了傳統的固體放大器技術、光纖CPA技術后，從工程實踐發展出的innoslab放大器技術，解決了高功率熱管理難題、克服了光場耦合匹配的困難、突破了單級innoslab放大向多級innoslab放大過渡的技術瓶頸，已實現了300~500W高功率飛秒激光器產品化定型生產，既滿足工業領域應用的高可靠性要求，也符合科研用戶對極端性能指標的追求。
本次新推出的500瓦平均功率毫焦級飛秒激光器，目前已得到終端相關行業客戶的測試驗證，實現全球首家小批量出貨。
伴隨激光輸出功率提升的是更嚴重的熱效應，以及激光能量更接近光損傷閾值、非線性效應閾值，這些不可避免的物理效應需要在技術路線制定過程考慮，施以有針對性的措施。奧創光子的高功率產品升級基于已有的300~400W飛秒激光器型號，為了進一步提升輸出功率，對主放大器的innoslab光路結構做了優化。
*500w飛秒激光器外觀圖
主放大器設計為兩級布局，第一級擔負著將小信號光功率急劇拔升，第二級負責將已獲得放大的光能進一步推高，二者均為innoslab放大器。第一級放大模塊設計為多通光路結構，以不少于5次的通過次數穿越激光增益介質實現高增益放大效果；由于激光器的設計，尤其是多級放大架構的激光器設計，須將放大布局作為一個整體通盤考慮，此第一級innoslab放大器并未片面追求放大功率，而是設計為放大輸出功率和光束質量滿足后續第二級innoslab放大所需要的光強度匹配、空間分布匹配、光熱效應可控，這與奧創光子百瓦產品家族的單級innoslab放大模塊光學設計思路不盡相同。
第二級innoslab放大器受到強泵浦和強信號的雙重高功率激光照射，其熱負荷極大，對其設計亦采用多通放大方式，且信號光整形光斑橫向尺寸更大，讓信號光場與泵浦光場充分交疊，提高放大效率，進一步減小熱損耗；innoslab晶體的光熱效應在高功率放大時更加明顯，第二級innoslab放大器中晶體熱焦距已不足35mm，對于放大后的信號光，存在著光束束腰落在光學元器件表面的風險，因而這是限制激光放大器能量提升的一個重要因素。
綜合設計布局激光放大系統全光路的高斯光束演化，在綜合了光束整形光學透鏡組、熱透鏡等曲面光學元件的影響后，確保每個光學元器件上的激光能量密度遠離膜層損傷閾值、遠離材料自聚焦閾值，這是對毫焦級高能飛秒脈沖激光放大光路設計的指導原則之一，尤其在該高功率、大能量飛秒激光系統中，奧創光子對其激光光學設計進行了充分的計算和仿真（圖1），堅持把實驗隱患消除在設計階段。
*圖1. 雙級雙端泵浦的innoslab Yb:YAG高功率激光放大器光路布局示意圖
作為innoslab放大系統的核心光學設計，信號光高斯光束整形光路、泵浦光勻化整形光路及器件的開發決定了放大系統最終的放大效能。奧創光子在光纖無源器件如光纖準直器、光纖隔離器等方面積累了光纖光學工程設計經驗和產品化經驗，另外在塊狀固體激光放大器的多級級聯、單級多通放大設計方面早已實現了工程化向產品化的過渡，因此對于高斯光束在強激光系統中的光學變換鏡組設計技術儲備成熟，并已移植到innoslab放大模塊的信號光光束整形系統中的，成就了奧創光子百瓦級毫焦級飛秒激光系列產品的主放大級。
激光器的設計須符合工程可制造性的要求，出于簡化激光器生產環節裝調難度的考慮，舍去了多通共焦腔的設計思路，轉而采取整形后信號光光束呈自然發散、反復進出innoslab晶體的簡潔光路方案；多鏡組立體光路設計布局如圖2（a），設計過程已將激光晶體的熱焦距計算在內，并在實際裝配過程中調整整形橢圓形光斑的發散角來控制信號光在增益介質中的交疊程度。泵浦光的光場整形系統設計稍顯復雜，是一種勻化光場能量分布的多模激光傳輸變換計算，經過在對泵浦光場設計過程反復迭代各個鏡組的選型，最后得到優化數據后的幾組最優解，具體的器件選型還要在實驗中去嘗試，篩選出符合光場實際分布的最優鏡組組合。雖然光場整形設計過程和要求復雜，在奧創光子前期的多型號高功率飛秒激光器產品開發基礎上，此500W飛秒激光器的主放大器泵浦光路設計方案如圖2（b），可見出于提升激光放大器輸出功率的考量，兩級innoslab放大器均采用了雙向泵浦方式，這種泵浦模式既充分利用了激光增益介質的儲能，也提升了激光晶體內的光功率密度，奧創光子的設計體系要求泵浦光功率密度不小于30kW/cm2，這是有效提升innoslab放大器效率的基本內控指標之一。
*圖2. 雙級雙端泵浦的innoslab Yb:YAG高功率激光放大器光路布局示意圖
激光晶體作為激光放大器的增益介質，在高功率放大系統中其光學性能受散熱條件影響顯著，即激光晶體的高效散熱和冷卻才能保證高效的激光增益和良好的光束質量。尤其對我司固體激光器常用的Yb:YAG激光晶體，其準三能級結構更增加了晶體激光特性對散熱條件的依賴性。innoslab放大器采用的薄平板狀激光晶體，平板的兩個大面積側面作為散熱面緊貼金屬熱沉，因此晶體和熱沉之間的封裝工藝是innoslab放大器的關鍵器件生產工藝之一，奧創光子的專業銦焊車間裝備了回流焊設備實現對innoslab放大器的模塊化熱沉封裝。
按照封裝程序，訂制的innoslab激光晶體首先在光學冷加工工序進行二次拋光，專業的拋光機能夠最大程度減少晶體表面形貌的微起伏，杜絕導熱不良的接觸點；激光晶體金屬化是工藝細節和用料最考究的一道工序，一般由經驗豐富的工程師操作，并有專人負責檢驗；而后將晶體封裝于銅質熱沉的模塊中，最后送出對兩個通光面進行鍍膜，鍍膜過程啟動前，由奧創光子專業工程師使用特制的工裝包裹熱沉的金屬部分，防止鍍膜過程引入污染。在高功率innoslab放大模塊封裝測試環節，奧創光子實現了該模塊封裝成功率>85%，正是嚴苛的質檢內控指標確保了innoslab模塊在各級放大器中放大效率和光熱的可控性，也是保障高功率激光器整機品質和產品一致性的基本途徑。
同樣是出于產品化對系統可維護性的要求，該500W雙級高功率innoslab放大系統在光機組裝過程盡量設計為線下組裝方式，即通過總裝線之外的子模塊組裝產線來把innoslab放大器模塊的外圍耦合鏡片、輸入輸出鏡片以及偏振控制光學組件預先裝配完成，形成一個準半成品。這樣的半成品隨后只需在總裝線上安裝，隨后由激光工程師線上精調信號光、泵浦光的耦合光路，一定程度減少了總裝線工程師的工作量，實現了粗調和精調在時間、空間上的分離，以此提高生產效率、優化工種配置。此外，準半成品的另一優點是易于后期對激光器進行維護，在極端情況下如需更換某innoslab放大單元，只需卸下舊模塊換上全新的相同規格模塊，可簡化后續的維修裝調流程。實際的高功率飛秒激光整機中，圍繞高功率器件和光路還設置了若干傳感器，用于自動監測激光頭內部的環境狀況、激光運行參數狀況等，為激光器的日常“健康監測”和定期維護提供數據依據。得益于有效的偏振態管理，在放大光功率589W時，脈沖壓縮器的整體效率獲得保障，輸出了超過500W的壓縮后飛秒激光，在重復頻率≤120kHz下對應最大單脈沖能量能夠達到3mJ。該系列產品的整機輸出技術指標見圖3、圖4、圖5。
圖3. Orientation-500-IR型飛秒激光器輸出功率穩定性測試
圖4. Orientation-500-IR型飛秒激光器在最大輸出功率下的光束質量測量（M2~1.4）
圖5. Orientation-500-IR型飛秒激光器輸出飛秒脈沖自相關曲線
在高增益放大條件下，激光介質的光譜增益窄化、熱透鏡效應更加顯著，反映在輸出的飛秒脈沖時域寬度以及光束質量等參數。該產品定位于高能量型號，對于高重復頻率應用，亦可根據客戶要求配備GHz重復頻率種子源，實現GHz脈沖串輸出模式。如選配奧創光子的高功率非線性壓縮裝置外掛于激光頭，輸出脈寬可實現數倍的二次壓縮，激光器就可方便地升級為兼具高功率、大能量和窄脈寬的超短超強光源。
在成熟的innoslab放大平臺上，毫焦級500W飛秒激光器完成了研發和實現全球首家小批量出貨，這個里程碑式的高功率飛秒激光器是單級innoslab放大器向多級innoslab放大器過渡的成功案例，帶給用戶的是“小幾百瓦”到“大幾百瓦”飛秒激光的轉型升級。
圖6. Orientation-500-IR型飛秒激光器機械外形圖（激光頭）
在產品和技術持續改進的開發理念推動下，接下來奧創光子正在研發的千瓦級毫焦級飛秒激光器，預計將于今年年底實現市場化銷售。
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