高功率超快激光廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造、信息、微電子、生物醫(yī)療、國防軍事等領(lǐng)域，相關(guān)科學(xué)研究對(duì)推動(dòng)國家科技創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。薄片激光系統(tǒng)憑借其高平均功率、大脈沖能量和優(yōu)異的光束質(zhì)量等優(yōu)勢在阿秒物理、材料加工等科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域具有重大需求，受到世界各國廣泛關(guān)注。但目前我國薄片增益器件制備、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和封裝、多沖程泵浦系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)仍存在不足，這嚴(yán)重限制了我國高功率超快薄片激光的進(jìn)一步發(fā)展。
在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(No.2022YFB3605800)資助下，近日，深圳技術(shù)大學(xué)阮雙琛教授、劉星副教授團(tuán)隊(duì)采用自主研發(fā)的薄片模塊和再生放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能（高穩(wěn)定、高功率、高光束質(zhì)量、高效率）的超快薄片激光輸出。通過設(shè)計(jì)的再生放大腔和對(duì)腔內(nèi)碟片晶體表面溫度和機(jī)械穩(wěn)定性控制，實(shí)現(xiàn)了單脈沖能量>300 μJ、脈沖寬度<7 ps、平均功率>150 W的激光輸出，最高光-光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)61%，這也是迄今為止超快薄片再生放大報(bào)道的最高的光光轉(zhuǎn)化效率，光束質(zhì)量因子M2<1.06@150W，8h穩(wěn)定性RMS<0.33%, 該成果標(biāo)志著高性能超快薄片激光的重要進(jìn)展，這將為高功率超快激光應(yīng)用提供更多可能。
成果發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第2期的文章(Sizhi Xu, Yubo Gao, Xing Liu, Yewang Chen, Deqin Ouyang, Junqing Zhao, Minqiu Liu, Xu Wu, Chunyu Guo, Cangtao Zhou, Qitao Lue, Shuangchen Ruan. High-repetition-rate and high-power efficient picosecond thin-disk regenerative amplifier[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2024, 12(2): 02000e14)。
高重頻、高功率薄片再生放大系統(tǒng)
圖1 薄片再生放大系統(tǒng)
薄片激光放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括光纖種子源、薄片激光頭和再生放大腔。種子源采用平均功率15 mW、中心波長1030 nm、脈沖寬度7.1 ps、重復(fù)頻率30 MHz的摻鐿光纖振蕩器。薄片激光頭采用自制直徑8.8 mm、厚度150 μm的Yb: YAG晶體和48沖程泵浦系統(tǒng)。泵浦源采用969 nm鎖波長的零聲子線LD，使量子缺陷降至5.8%。獨(dú)特的散熱結(jié)構(gòu)可有效冷卻薄片晶體，確保了再生腔的穩(wěn)定性。再生放大腔由普克爾盒(Pockels Cell, PC)、薄膜偏振片(Thin Film Polarizers, TFP)、四分之一波片(Quarter-Wave Plates, QWP)和高穩(wěn)定諧振腔組成。使用隔離器(Isolator)以防止放大光逆向損壞種子源。TFP1、旋光器(Rotator)和半波片(Half-Wave Plates, HWP)組成的隔離器結(jié)構(gòu)，用于隔離輸入種子和放大后脈沖。種子脈沖通過TFP2進(jìn)入再生放大腔。偏硼酸鋇(BBO)晶體、PC和QWP結(jié)合構(gòu)成光開關(guān)，對(duì)PC施加周期性高電壓，以選擇性地捕獲種子脈沖使其在腔內(nèi)往返傳播。通過對(duì)普克爾盒加壓周期的精細(xì)調(diào)整，使期望脈沖在腔內(nèi)振蕩，在往返傳播過程中進(jìn)行有效放大。
圖2 薄片再生放大系統(tǒng)輸出性能
在1 MHz時(shí)，再生放大器最大輸出功率為154.1 W，光-光轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)61%，最高功率下的光束質(zhì)量因子為MX2 = 1.05，MY2 = 1.06，8小時(shí)功率穩(wěn)定性RMS<0.33%。
總結(jié)和展望
該薄片再生放大器表現(xiàn)出良好的輸出性能，將在極紫外光刻、阿秒泵浦源和3C電子、新能源汽車等高端制造領(lǐng)域業(yè)發(fā)揮重要作用。同時(shí)，薄片激光技術(shù)有望應(yīng)用于大型超強(qiáng)激光裝置，為在納米空間尺度和飛秒時(shí)間尺度的物質(zhì)形成和精細(xì)探測提供全新的實(shí)驗(yàn)手段。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以服務(wù)國家重大需求為目標(biāo)，將繼續(xù)聚焦激光技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步突破戰(zhàn)略性大功率激光晶體制備，切實(shí)提高我國信息、能源、高端裝備等領(lǐng)域激光器件的自主研發(fā)能力。
作者簡介/團(tuán)隊(duì)簡介
第一作者：徐思志，深圳技術(shù)大學(xué)光學(xué)工程博士。主要從事高功率超快薄片激光再生放大和多通放大技術(shù)、非線性頻率變化等研究，作為項(xiàng)目核心成員參與國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。
通信作者：劉星，深圳技術(shù)大學(xué)副教授，深圳市海外高層次人才。目前主要從事超快薄片激光技術(shù)、非線性光學(xué)等方面的研究。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、 國家自然科學(xué)基金，陜西省自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目。在Physical Review Letter, Nanophononics, Optics Letters, Photonics Research等期刊發(fā)表論文五十余篇。
呂啟濤，大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司副總經(jīng)理兼首席技術(shù)官，國家級(jí)高層次專業(yè)人才、深圳市海外高層次A類人才，曾榮獲中華國際科學(xué)交流基金會(huì)“杰出工程師獎(jiǎng)”、廣東省突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、深圳市政府特殊津貼，所主導(dǎo)研發(fā)的高功率紫外激光器及高功率超快激光光源，綜合指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，創(chuàng)造了100多億元的銷售收入，并榮獲廣東省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、深圳市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
通信作者：阮雙琛，深圳技術(shù)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。深圳技術(shù)大學(xué)創(chuàng)校校長，曾任深圳大學(xué)黨委常委、副校長。重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家，深圳市國家級(jí)領(lǐng)軍人才。長期從事超快激光技術(shù)、薄片激光技術(shù)及其前沿應(yīng)用研究。
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