文 / 李剛，劉銳，公發全，戴隆輝，雷希音，滕飛，李想
中國科學院大連化學物理研究所
引 言
高功率超短脈衝雷射由於其極高的脈衝能量、峰值功率和優異的光束質量，在太赫茲產生、光學頻率梳和高次諧波等科研領域有著極為重大的應用價值；在工業微加工和醫療等領域也有重要應用。隨著對超短脈衝雷射應用需求的不斷提高，如何獲得更高能量、更高平均功率和更好光束質量就成了需要解決的重大問題。
傳統塊狀結構增益介質的飛秒脈衝雷射器由於受到高功率下熱透鏡效應的限制，能夠輸出的功率難以突破百瓦量級。採用增大增益介質長徑比的光纖雷射器雖然減小了熱透鏡效應的影響，但高峰值功率帶來的受激布里淵散射等非線性效應仍然會導致功率放大受限。
1993年，德國斯圖加特大學Giesen[1]教授首次提出一種將增益介質「壓扁」，從而提升其徑厚比的碟片固體雷射模型，晶體內廢熱流向僅沿Z方向軸傳輸，大大解決了傳統棒狀固體雷射器的散熱問題。經過多年發展，高功率碟片雷射器以其在結構、效率和光束質量上的技術優勢，成為大能量、高平均功率、高重複頻率超短脈衝雷射器的重要發展路線[2-3]。
碟片雷射器利用多通泵浦結構，將泵浦光多次反射至厚度為百微米量級的片狀增益介質上，來獲得高效率的泵浦吸收；極薄的增益介質結合背向冷卻技術，大大減小熱透鏡效應與非線性效應。相較於光纖雷射器，碟片雷射器的增益區域（cm）比光纖雷射器的增益區域（μm）高1~2個量級，在高平均功率、大能量超短脈衝雷射器領域更具優勢。
目前，國外以德國通快和D+G兩家為代表的公司，掌握著高能碟片雷射的核心關鍵技術，已經推出系列化商品，在售設備最高輸出水平為納秒TruMicro7070（100 mJ，30 ns）、皮秒TruMicro 5080（@1030 nm，250 μJ，＜10 ps；）和飛秒TruMicro 5080-femto edition（@1030 nm，200 μJ，900 fs；TruMicro 5080）等型號。
目前單碟片雷射器連續多模輸出功率已達10 kW；基於雙碟片偏振組束技術，基橫模輸出功率為10 kW[4]。這充分驗證了碟片雷射器多程腔、泵浦光的整形勻化、晶體的製備、晶體的高效換熱和晶體的封裝等關鍵技術的可靠性。最近，基於通快碟片的多程放大或再生放大，脈衝能量已經達到720 mJ，脈寬920 fs，重複頻率1 kHz[5]。這是目前報導的kHz脈衝雷射的最高水平。
2022年4月26日，德國慕尼黑光博會上最新推出了一種採用通快自研雷射光纜（LLK）雙路二合一環芯可調技術的雙碟片雷射器，連續雷射最高輸出功率達24 kW。
國內方面，華中科技大學朱曉團隊[6-10]自主研製了基於共軛雙拋物面鏡的多通泵浦技術，目前已實現48程泵浦結構，具備千瓦級連續雷射輸出能力，同時在納秒、皮秒和飛秒碟片雷射器研究方面也取得了較好的技術進展。
中國科學院大連化學物理研究所李剛團隊在碟片雷射領域堅持進行了十餘年的研究，已自主掌握千瓦級泵浦碟片雷射的全部關鍵核心技術，具備碟片晶體加工、鍍膜、換熱、封裝以及24、48、72程泵浦結構裝調等全鏈條研發能力，性能基本達到國外水平；並建立了近紅外[11-15]和中紅外超短脈衝雷射研究平台。
碟片雷射器的關鍵核心技術
多衝程泵浦關鍵技術
碟片晶體單程吸收較低，為提升泵浦光的吸收效率，需將泵浦光多次通過碟片晶體。目前應用於碟片雷射器的多程泵浦結構大致分為4種類型，如圖1為多程碟片雷射器結構，分別是（a）稜鏡式多程結構架構；（b）貼片式多程結構；（c）對角稜錐式多程結構；（d）雙拋物面鏡多程結構。
為進一步提高雷射晶體的換熱效率，可以進一步減薄晶體厚度，並通過增加泵浦光通過晶體的次數來提高晶體對泵浦光的吸收效率。2018年，德國馬普所[16]報導了72程的中紅外Ho:YAG碟片雷射；2022年，中科院大連化物所[17] 報導了基於72程泵浦的腔倒空白瓦級納秒雷射。
泵浦光的勻化準直技術
泵浦光束的強度分布均勻性直接影響輸出雷射束均勻性和光束質量，影響泵浦能量的提取效率。半導體雷射作為泵浦源，其光強空間分布均勻性差，即使是帶尾纖輸出的二極體泵浦源，其強度也是高斯分布，需要通過特殊整形系統對其進行平頂化處理。
目前針對不同泵浦方案，發展多種整形方法，其中包括衍射光學元件整形法、勻化棒整形法、非球面鏡整形法、微透鏡陣列整形法等。國內中科院大連化物所和華中科技大學都已具備泵浦功率大於萬瓦級勻化準直技術，如圖2為碟片雷射晶體上的平頂泵浦光斑及強度分布圖（4000 CW）及六邊形勻化棒。
碟片晶體的製備技術
碟片晶體的厚度通常只有百微米，其熱流密度方向僅沿著厚度方向一維傳輸，同時由於碟片晶體採用單面泵浦背向冷卻的工作模式，泵浦光需要有一定角度通過拋物面鏡聚焦於晶體之上，如圖3所示為多程碟片雷射系統結構示意圖。
以24程結構為例，當LD泵浦源輸出的光經整形系統耦合後被耦合進入勻化系統，使高斯光束轉換為平頂光束後進入多程耦合腔內。當一束泵浦光第一次通過拋物面鏡後，泵浦光第一次聚焦於碟片晶體上，一部分泵浦光第一次被吸收，剩餘未被吸收的泵浦光第二次反射到拋物面鏡上，並以平行光入射到45°稜鏡上。經反射後再次以平行光反射到拋物面鏡上，泵浦光第二次聚焦於碟片晶體上，完成二次泵浦。
周而復始，可以完成12次泵浦過程。泵浦光每進出一次晶體可以完成2次吸收，因此多程結構能夠保證泵浦光（@940 nm& 969 nm）的高效吸收（99%以上）。
為保證晶體在熱負荷工況下具有良好的反射面型，需要進行超薄晶體的加工技術研究，採用特殊拋光工藝加工直徑大於10 mm，厚度百微米的增益介質。目前，大連化物所在晶體加工技術上具備加工後Ra＜0.2 nm@RMS，面型精度PV＜1/10λ，可加工的基質材料包括YAG、Lu2O3、YLF等。
由於碟片雷射的特殊工作方式，需要採用多波段、大角度鍍膜工藝，保證碟片背面高反射率和正面高透過率，且具有高損傷閾值。
圖4為碟片晶體前表面單面透過率測試曲線，晶體前表面透過率≥99.5%@940~969 nm，AOI（入射角）：0°~35°；透過率≥99.9%@1030 nm，AOI：0°~15°。圖5為晶體後表面反射率測試曲線，反射率≥99.99%@940~969 nm，AOI：0°~35°；反射率≥99.99%@1030 nm，AOI：0°~15°，薄膜損傷閾值≥1.2 J/cm2 @30 ps，膜層粗糙度小於1 nm。
碟片晶體在鍍膜過程中，薄膜會產生較大的壓應力，導致晶體產生嚴重的應力形變。為解決該問題，多層膜應力補償控制技術被提出。研究發現，通過薄膜應力調控可實現鍍膜後晶體面型改變，因此採用多層膜應力補償方式進行晶體的面型調控，如圖6為晶體鍍膜前、鍍膜後和調控後的面形變化。從而保證與金剛石熱沉封裝後保持良好的面形精度。圖7為大連化物所自主製備的碟片晶體（直徑20 mm）加工後實物圖。
碟片晶體的高效換熱關鍵技術
增益介質的熱管理技術是限制高功率全固態雷射器發展的重要因素。高功率泵浦下的碟片雷射晶體，其體熱量密度高，因此熱管理問題尤為突出，必須採用具有高效換熱能力的熱沉，才能保證雷射器的良好輸出特性。因此，如何研製具有高效換熱的熱沉結構，成為碟片雷射器的關鍵核心技術之一。
通過換熱結構研究，設計了毫米通道冷卻結構和射流型冷卻結構，研製了不同口徑晶體均勻散熱射流冷卻裝置。圖8為小口徑（≤15 mm）射流冷卻模型，最高換熱係數達到2.38×105 W/(m2 ·K)。圖9為大口徑多孔泡沫毫米通道冷卻系統及實物圖，大口徑（＞15 mm）毫米通道熱沉平均換熱係數為1.02×105 W/(m2 ·K)。
碟片晶體的封裝技術
碟片晶體的封裝是將超薄晶體經特殊工藝固定在金剛石熱沉上，並在熱沉背面採用衝擊式水冷高效率地帶走熱量，使碟片晶體內部只存在沿厚度方向的一維熱分布，有效避免熱致畸變及熱透鏡問題。
通常熱沉的材料包括金剛石、SiC、銅鎢合金，為使其與超薄晶體進行連接，需要保證熱沉基材加工平整度誤差≤5 μm、鍵合界面拉伸強度≥15 Mpa@20°~120°、鍵合面插層厚度≤50 nm、面內殘餘應力≤100 Mpa。同時要求封裝後超薄晶體後表面反射面型PV≤1/8λ（@632.8 nm），圖10為晶體焊接後實物圖及反射面型測試結果。
基於碟片技術的超短脈衝雷射國內外研究進展
國外方面，多是基於德國通快的多程模塊展開納秒、皮秒和飛秒雷射實驗研究，並且將碟片雷射器從1 μm波段擴展到2 μm波段。在納秒方面，2010年，Christian[18]等利用腔倒空調Q和腔內倍頻方式，在Yb:YAG碟片雷射器中獲得了最大輸出功率為700 W、重複頻率為100 kHz的515 nm的納秒脈衝雷射輸出。
通過改變調Q時的損耗，雷射系統的脈衝寬度可在200 ns到750 ns之間調諧，圖11為通快納秒雷射光路圖。這也是在碟片雷射領域獲得的最高平均功率的納秒脈衝雷射器。
國內方面，2022年，中國科學院大連化學物理研究所利用自研72程泵浦結構，獲得了平均功率150 W、重複頻率100 kHz、脈衝寬度18.3 ns的雷射輸出，為目前國內最高輸出功率水平，圖12為基於72程泵浦的腔倒空納秒雷射器光路圖。
皮秒脈衝方向，2017年，Thomas Nubbemeyer[19]等人利用雙碟片再生放大方式，獲得了平均功率1 kW，最大單脈衝能量200 mJ的皮秒雷射輸出。圖13為再生放大千瓦級皮秒雷射器光路圖。
2021年，華中科技大學董靜等[20] 採用脈寬小於10 ps的種子源，在Yb:YAG碟片雷射器中獲得平均功率44.2 W、脈衝寬度9.3 ps、單脈衝能量220 μJ的脈衝雷射輸出，放大器效率約為13.4%。基於串接的雙碟片模塊的再生放大器採用脈寬800 ps的種子源，在重頻200 kHz時獲得了126 W的雷射輸出，在重頻100 kHz時，最大輸出單脈衝能量為0.96 mJ。
飛秒脈衝方面，主要以克爾透鏡鎖模（KLM）和SESAM鎖模為代表，其中克爾透鏡鎖模克服了SESAM鎖模器件的損傷問題。2014年，德國PRONIN O等人[21]利用KLM鎖模方法，獲得平均功率為270 W、重複頻率為18.8 MHz、脈衝寬度為330 fs、脈衝能量為14.4 μJ的雷射脈衝輸出。
由於採用特殊工藝，2019 年，德國Keller等[22]利用高損傷閾值的SESAM和腔內多程反射結構，獲得平均功率為350 W、脈衝寬度為940 fs、重複頻率為8.88 MHz的飛秒脈衝輸出。SESAM鎖模碟片雷射器光路圖如圖14所示。這也是目前獲得的功率最高的飛秒脈衝振盪器。
2022年，華中科技大學張金偉等[23]利用分布式克透鏡鎖模 (DKLM）獲得了脈寬為47 fs的鎖模雷射輸出，圖15為分布式克透鏡鎖模光路圖。DKLM與傳統KLM的區別在于振盪器內有多個克爾介質，這將顯著增大KLM的自振幅調製係數以及調製深度，從而實現窄脈寬輸出。
2022年，中國科學院大連化物所雷希音等人利用自主研製的72程泵浦結構，圖16為克爾透鏡鎖模Yb:YAG碟片雷射器光路圖。在泵浦功率為72 W 時，平均功率11.78 W，脈衝寬度245 fs，重複頻率81.45 MHz；在 94 W泵浦時得到22.33 W 的輸出結果，脈衝寬度為393 fs。
中紅外波段方面，2021年，德國波鴻魯爾大學Sergei Tomilov等[24]實現了最高112 W的基橫模連續Ho:YAG碟片雷射器，光光轉化效率達到54.6%，圖17為Ho:YAG碟片雷射器光路圖。
2022年，該研究組基於高性能2 μm SESAM器件，搭建了2 μm SESAM鎖模Ho:YAG雷射器，圖18為基於SESAM的鎖模2 μm碟片雷射器光路圖（a）及實驗裝置（b），獲得了平均功率50 W，功率為1.13 ps脈衝，2.11 μJ的脈衝能量和~1.9 MW的峰值功率雷射輸出。
總結與展望
隨著工業、醫療和國防等領域對超短脈衝激器的應用需求不斷增強，基於碟片技術的高平均功率、大能量超短脈衝雷射將迎來重要的發展機遇。
中國科學院大連化學物理研究所化學雷射精密光學技術研究組依託多年來在強雷射技術方面的技術優勢，經過十餘年的不懈努力，突破了包括碟片晶體的加工、鍍膜、封裝、高效換熱、泵浦光的勻化準直、多程泵浦六大核心技術。目前已經成功研製了基於角錐式24、48、72程碟片雷射模塊，並進行了千瓦級泵浦的技術驗證，光-光轉化效率和輸出光束質量與國外同類產品性能相當。
並基於碟片技術開展了ns和ps脈衝雷射研究，獲得了百瓦級納秒雷射輸出，並搭建千瓦級多程放大納秒平台；獲得20 W克爾透鏡鎖模飛秒雷射、百瓦級再生放大皮秒雷射和百瓦級2 µm中紅外納秒雷射輸出。
華中科技大學採用自主研發的雙拋物面鏡的多通泵浦方案，使泵浦光經過拋物面鏡及矯正鏡後成像在碟片晶體上。利用這種自再現成像的方式研製最高48程泵浦裝置，並且已經實現單碟片千瓦級泵浦，同時進行皮秒和飛秒再生放大、多程放大和克爾透鏡鎖模技術驗證。
隨著OPCPA技術的需求牽引，產生重複頻率為kHz量級、峰值功率為太瓦（TW）甚至是拍瓦（PW）量級的碟片超短超強雷射將成為可能，並有望替代二氧化碳雷射器轟擊錫滴獲得新一代低功耗、緊湊型大功率EUV光源。基於現有的多程放大和再生放大技術的碟片雷射器，也將在雙光學頻率梳、雷射微納加工和阿秒技術上獲得重要應用。
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