作為精密加工的光能輸出工具，飛秒激光器的產(chǎn)品升級(jí)需求也受激光制造行業(yè)的生產(chǎn)效能升級(jí)的影響，朝著更高功率、更大能量、更多波長(zhǎng)等方向演化。與激光粗加工應(yīng)用的高功率連續(xù)光光纖激光器的演變規(guī)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(dāng)前、興于未來(lái)的精密制造領(lǐng)域的主流方向，對(duì)飛秒激光光源有著更高、更強(qiáng)輸出能力的必然要求。

伴隨激光輸出功率提升的是更嚴(yán)重的熱效應(yīng)，以及激光能量更接近光損傷閾值、非線性效應(yīng)閾值，這些不可避免的物理效應(yīng)需要在技術(shù)路線制定過(guò)程考慮，施以有針對(duì)性的措施。奧創(chuàng)光子的高功率產(chǎn)品升級(jí)基于已有的300~400W飛秒激光器型號(hào)，為了進(jìn)一步提升輸出功率，對(duì)主放大器的innoslab光路結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化。

*500w飛秒激光器外觀圖

主放大器設(shè)計(jì)為兩級(jí)布局，第一級(jí)擔(dān)負(fù)著將小信號(hào)光功率急劇拔升，第二級(jí)負(fù)責(zé)將已獲得放大的光能進(jìn)一步推高，二者均為innoslab放大器。第一級(jí)放大模塊設(shè)計(jì)為多通光路結(jié)構(gòu)，以不少于5次的通過(guò)次數(shù)穿越激光增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)高增益放大效果；由于激光器的設(shè)計(jì)，尤其是多級(jí)放大架構(gòu)的激光器設(shè)計(jì)，須將放大布局作為一個(gè)整體通盤考慮，此第一級(jí)innoslab放大器并未片面追求放大功率，而是設(shè)計(jì)為放大輸出功率和光束質(zhì)量滿足后續(xù)第二級(jí)innoslab放大所需要的光強(qiáng)度匹配、空間分布匹配、光熱效應(yīng)可控，這與奧創(chuàng)光子百瓦產(chǎn)品家族的單級(jí)innoslab放大模塊光學(xué)設(shè)計(jì)思路不盡相同。

第二級(jí)innoslab放大器受到強(qiáng)泵浦和強(qiáng)信號(hào)的雙重高功率激光照射，其熱負(fù)荷極大，對(duì)其設(shè)計(jì)亦采用多通放大方式，且信號(hào)光整形光斑橫向尺寸更大，讓信號(hào)光場(chǎng)與泵浦光場(chǎng)充分交疊，提高放大效率，進(jìn)一步減小熱損耗；innoslab晶體的光熱效應(yīng)在高功率放大時(shí)更加明顯，第二級(jí)innoslab放大器中晶體熱焦距已不足35mm，對(duì)于放大后的信號(hào)光，存在著光束束腰落在光學(xué)元器件表面的風(fēng)險(xiǎn)，因而這是限制激光放大器能量提升的一個(gè)重要因素。

綜合設(shè)計(jì)布局激光放大系統(tǒng)全光路的高斯光束演化，在綜合了光束整形光學(xué)透鏡組、熱透鏡等曲面光學(xué)元件的影響后，確保每個(gè)光學(xué)元器件上的激光能量密度遠(yuǎn)離膜層損傷閾值、遠(yuǎn)離材料自聚焦閾值，這是對(duì)毫焦級(jí)高能飛秒脈沖激光放大光路設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則之一，尤其在該高功率、大能量飛秒激光系統(tǒng)中，奧創(chuàng)光子對(duì)其激光光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了充分的計(jì)算和仿真（圖1），堅(jiān)持把實(shí)驗(yàn)隱患消除在設(shè)計(jì)階段。

*圖1. 雙級(jí)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(tǒng)的核心光學(xué)設(shè)計(jì)，信號(hào)光高斯光束整形光路、泵浦光勻化整形光路及器件的開(kāi)發(fā)決定了放大系統(tǒng)最終的放大效能。奧創(chuàng)光子在光纖無(wú)源器件如光纖準(zhǔn)直器、光纖隔離器等方面積累了光纖光學(xué)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品化經(jīng)驗(yàn)，另外在塊狀固體激光放大器的多級(jí)級(jí)聯(lián)、單級(jí)多通放大設(shè)計(jì)方面早已實(shí)現(xiàn)了工程化向產(chǎn)品化的過(guò)渡，因此對(duì)于高斯光束在強(qiáng)激光系統(tǒng)中的光學(xué)變換鏡組設(shè)計(jì)技術(shù)儲(chǔ)備成熟，并已移植到innoslab放大模塊的信號(hào)光光束整形系統(tǒng)中的，成就了奧創(chuàng)光子百瓦級(jí)毫焦級(jí)飛秒激光系列產(chǎn)品的主放大級(jí)。

激光器的設(shè)計(jì)須符合工程可制造性的要求，出于簡(jiǎn)化激光器生產(chǎn)環(huán)節(jié)裝調(diào)難度的考慮，舍去了多通共焦腔的設(shè)計(jì)思路，轉(zhuǎn)而采取整形后信號(hào)光光束呈自然發(fā)散、反復(fù)進(jìn)出innoslab晶體的簡(jiǎn)潔光路方案；多鏡組立體光路設(shè)計(jì)布局如圖2（a），設(shè)計(jì)過(guò)程已將激光晶體的熱焦距計(jì)算在內(nèi)，并在實(shí)際裝配過(guò)程中調(diào)整整形橢圓形光斑的發(fā)散角來(lái)控制信號(hào)光在增益介質(zhì)中的交疊程度。泵浦光的光場(chǎng)整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)稍顯復(fù)雜，是一種勻化光場(chǎng)能量分布的多模激光傳輸變換計(jì)算，經(jīng)過(guò)在對(duì)泵浦光場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程反復(fù)迭代各個(gè)鏡組的選型，最后得到優(yōu)化數(shù)據(jù)后的幾組最優(yōu)解，具體的器件選型還要在實(shí)驗(yàn)中去嘗試，篩選出符合光場(chǎng)實(shí)際分布的最優(yōu)鏡組組合。雖然光場(chǎng)整形設(shè)計(jì)過(guò)程和要求復(fù)雜，在奧創(chuàng)光子前期的多型號(hào)高功率飛秒激光器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上，此500W飛秒激光器的主放大器泵浦光路設(shè)計(jì)方案如圖2（b），可見(jiàn)出于提升激光放大器輸出功率的考量，兩級(jí)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(zhì)的儲(chǔ)能，也提升了激光晶體內(nèi)的光功率密度，奧創(chuàng)光子的設(shè)計(jì)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(nèi)控指標(biāo)之一。

*圖2. 雙級(jí)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(zhì)，在高功率放大系統(tǒng)中其光學(xué)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(zhì)量。尤其對(duì)我司固體激光器常用的Yb:YAG激光晶體，其準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu)更增加了晶體激光特性對(duì)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(gè)大面積側(cè)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(guān)鍵器件生產(chǎn)工藝之一，奧創(chuàng)光子的專業(yè)銦焊車間裝備了回流焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)冷加工工序進(jìn)行二次拋光，專業(yè)的拋光機(jī)能夠最大程度減少晶體表面形貌的微起伏，杜絕導(dǎo)熱不良的接觸點(diǎn)；激光晶體金屬化是工藝細(xì)節(jié)和用料最考究的一道工序，一般由經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師操作，并有專人負(fù)責(zé)檢驗(yàn)；而后將晶體封裝于銅質(zhì)熱沉的模塊中，最后送出對(duì)兩個(gè)通光面進(jìn)行鍍膜，鍍膜過(guò)程啟動(dòng)前，由奧創(chuàng)光子專業(yè)工程師使用特制的工裝包裹熱沉的金屬部分，防止鍍膜過(guò)程引入污染。在高功率innoslab放大模塊封裝測(cè)試環(huán)節(jié)，奧創(chuàng)光子實(shí)現(xiàn)了該模塊封裝成功率>85%，正是嚴(yán)苛的質(zhì)檢內(nèi)控指標(biāo)確保了innoslab模塊在各級(jí)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(jī)品質(zhì)和產(chǎn)品一致性的基本途徑。

同樣是出于產(chǎn)品化對(duì)系統(tǒng)可維護(hù)性的要求，該500W雙級(jí)高功率innoslab放大系統(tǒng)在光機(jī)組裝過(guò)程盡量設(shè)計(jì)為線下組裝方式，即通過(guò)總裝線之外的子模塊組裝產(chǎn)線來(lái)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(xué)組件預(yù)先裝配完成，形成一個(gè)準(zhǔn)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(diào)信號(hào)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(shí)現(xiàn)了粗調(diào)和精調(diào)在時(shí)間、空間上的分離，以此提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化工種配置。此外，準(zhǔn)半成品的另一優(yōu)點(diǎn)是易于后期對(duì)激光器進(jìn)行維護(hù)，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(guī)格模塊，可簡(jiǎn)化后續(xù)的維修裝調(diào)流程。實(shí)際的高功率飛秒激光整機(jī)中，圍繞高功率器件和光路還設(shè)置了若干傳感器，用于自動(dòng)監(jiān)測(cè)激光頭內(nèi)部的環(huán)境狀況、激光運(yùn)行參數(shù)狀況等，為激光器的日?！敖】当O(jiān)測(cè)”和定期維護(hù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。得益于有效的偏振態(tài)管理，在放大光功率589W時(shí)，脈沖壓縮器的整體效率獲得保障，輸出了超過(guò)500W的壓縮后飛秒激光，在重復(fù)頻率≤120kHz下對(duì)應(yīng)最大單脈沖能量能夠達(dá)到3mJ。該系列產(chǎn)品的整機(jī)輸出技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

圖3. Orientation-500-IR型飛秒激光器輸出功率穩(wěn)定性測(cè)試

圖4. Orientation-500-IR型飛秒激光器在最大輸出功率下的光束質(zhì)量測(cè)量（M2~1.4）

圖5. Orientation-500-IR型飛秒激光器輸出飛秒脈沖自相關(guān)曲線

在高增益放大條件下，激光介質(zhì)的光譜增益窄化、熱透鏡效應(yīng)更加顯著，反映在輸出的飛秒脈沖時(shí)域?qū)挾纫约肮馐|(zhì)量等參數(shù)。該產(chǎn)品定位于高能量型號(hào)，對(duì)于高重復(fù)頻率應(yīng)用，亦可根據(jù)客戶要求配備GHz重復(fù)頻率種子源，實(shí)現(xiàn)GHz脈沖串輸出模式。如選配奧創(chuàng)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(shí)現(xiàn)數(shù)倍的二次壓縮，激光器就可方便地升級(jí)為兼具高功率、大能量和窄脈寬的超短超強(qiáng)光源。

在成熟的innoslab放大平臺(tái)上，毫焦級(jí)500W飛秒激光器完成了研發(fā)和實(shí)現(xiàn)全球首家小批量出貨，這個(gè)里程碑式的高功率飛秒激光器是單級(jí)innoslab放大器向多級(jí)innoslab放大器過(guò)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(zhuǎn)型升級(jí)。

圖6. Orientation-500-IR型飛秒激光器機(jī)械外形圖（激光頭）

在產(chǎn)品和技術(shù)持續(xù)改進(jìn)的開(kāi)發(fā)理念推動(dòng)下，接下來(lái)奧創(chuàng)光子正在研發(fā)的千瓦級(jí)毫焦級(jí)飛秒激光器，預(yù)計(jì)將于今年年底實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化銷售。