高功率超快激光廣泛應用于先進制造、信息、微電子、生物醫(yī)療、國防軍事等領域，相關科學研究對推動國家科技創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展至關重要。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、材料加工等科學和工業(yè)領域具有重大需求，受到世界各國廣泛關注。但目前我國薄片增益器件制備、冷卻系統(tǒng)的設計和封裝、多沖程泵浦系統(tǒng)等關鍵技術仍存在不足，這嚴重限制了我國高功率超快薄片激光的進一步發(fā)展。

在國家重點研發(fā)計劃項目(No.2022YFB3605800)資助下，近日，深圳技術大學阮雙琛教授、劉星副教授團隊采用自主研發(fā)的薄片模塊和再生放大技術實現(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。通過設計的再生放大腔和對腔內(nèi)碟片晶體表面溫度和機械穩(wěn)定性控制，實現(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61%，這也是迄今為止超快薄片再生放大報道的最高的光光轉(zhuǎn)化效率，光束質(zhì)量因子M²<1.06@150W，8h穩(wěn)定性RMS<0.33%, 該成果標志著高性能超快薄片激光的重要進展，這將為高功率超快激光應用提供更多可能。

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)。

圖1 薄片再生放大系統(tǒng)

薄片激光放大器結(jié)構如圖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%。獨特的散熱結(jié)構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，用于隔離輸入種子和放大后脈沖。種子脈沖通過TFP2進入再生放大腔。偏硼酸鋇(BBO)晶體、PC和QWP結(jié)合構成光開關，對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。通過對普克爾盒加壓周期的精細調(diào)整，使期望脈沖在腔內(nèi)振蕩，在往返傳播過程中進行有效放大。

圖2 薄片再生放大系統(tǒng)輸出性能

在1 MHz時，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61%，最高功率下的光束質(zhì)量因子為M_X² = 1.05，M_Y² = 1.06，8小時功率穩(wěn)定性RMS<0.33%。

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域業(yè)發(fā)揮重要作用。同時，薄片激光技術有望應用于大型超強激光裝置，為在納米空間尺度和飛秒時間尺度的物質(zhì)形成和精細探測提供全新的實驗手段。項目團隊以服務國家重大需求為目標，將繼續(xù)聚焦激光技術創(chuàng)新，進一步突破戰(zhàn)略性大功率激光晶體制備，切實提高我國信息、能源、高端裝備等領域激光器件的自主研發(fā)能力。

第一作者：徐思志，深圳技術大學光學工程博士。主要從事高功率超快薄片激光再生放大和多通放大技術、非線性頻率變化等研究，作為項目核心成員參與國家重點研發(fā)項目。

通信作者：劉星，深圳技術大學副教授，深圳市海外高層次人才。目前主要從事超快薄片激光技術、非線性光學等方面的研究。主持國家重點研發(fā)計劃子課題、 國家自然科學基金，陜西省自然科學基金等多個項目。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)集團股份有限公司副總經(jīng)理兼首席技術官，國家級高層次專業(yè)人才、深圳市海外高層次A類人才，曾榮獲中華國際科學交流基金會“杰出工程師獎”、廣東省突出貢獻獎、深圳市政府特殊津貼，所主導研發(fā)的高功率紫外激光器及高功率超快激光光源，綜合指標達到國際領先水平，創(chuàng)造了100多億元的銷售收入，并榮獲廣東省科學技術一等獎、深圳市科技進步一等獎。