雷射天地轉載自：
長光所Light中心中國光學
圖片來源：attoworld
撰稿 | No Cycle
高平均功率二極體泵浦固體雷射器(DPSS)是科研和工業應用中不可或缺的工具，但DPSS雷射器的一大特點是需要高效散熱以防熱光畸變。使用超薄碟片作為雷射增益介質是解決這個問題的一種重要途徑，這樣不僅能用更大的泵浦光斑提高功率，也有利於產生高峰值功率超短脈衝。因為雷射只通過很薄的材料，所以高峰值功率不會形成有害的非線性光學效應。基於摻鐿介質尤其是Yb:YAG(摻鐿釔鋁石榴石)的飛秒雷射器的平均功率已達千瓦級。
Yb:YAG SESAM鎖模(綠線)和KLM(紅線)振蕩器的平均功率
自從1994年碟片雷射器問世以來，研究人員不斷改進基本結構和增益材料，提升各方面的性能規格，有望解鎖很多科研和工業應用。
碟片雷射器工作原理動態圖
01
超快碟片雷射器基本結構
碟片雷射器充分利用增益材料的幾何形狀高效散熱。碟片厚度一般在0.1毫米左右，橫向約幾個釐米。左下圖為碟片雷射裝置通過稜鏡和拋物面鏡等光學元件使泵浦光束在碟片上多次反射，右下圖為放大顯示的已安裝碟片。
左：碟片雷射頭示意圖，泵浦光束在碟片上多次反射。
右：已安裝商用碟片(通快公司)，
使用一體式稜鏡使泵浦光束在拋物面鏡上來回反射
因為雷射和泵浦光斑直徑都遠大於碟片厚度，熱量很快就能流向背面的散熱片。儘量減薄碟片能夠有效減少雷射工作時累積的熱量。由於光學、熱學和機械性質俱佳，Yb:YAG是目前碟片雷射器的標準增益材料。
碟片前表面鍍增透膜，後表面鍍高反膜，整體是一種有源反射鏡結構，能夠高效吸收泵浦光，提高光學效率。但是，由於碟片太薄，一次反射無法產生足夠的吸收，因此可以靠近碟片安裝一個拋物面反射鏡，通過泵浦光的多次反射增加吸收。
碟片單次反射產生的雷射增益只有10%左右。碟片雷射器單位長度的增益要遠高於光纖雷射器，在光學共振腔中放入碟片就足以輸出高平均功率。
具體的實施辦法有兩種：鎖模振蕩器和再生放大器(下文通過蘇黎世聯邦理工學院Ursula Keller碟片雷射器團隊的研究成果詳細介紹)。另外，使雷射在碟片上多次反射，不用光學共振腔也能顯著放大，這種情況可以使用先進的多通放大器。
02
超快碟片雷射器的應用
碟片雷射器是實現100瓦以上超快雷射系統的主要商用技術之一，廣泛用於材料加工，比如製備微米級精度的特徵結構。1皮秒左右超短脈衝可快速消融目標區域，避免熱量傳遞到周圍材料，從而產生清晰的特徵結構，因此在這類加工中很有優勢。
碟片雷射可以加工的材料很多，特別是通過非線性頻率轉換產生紫外光時。這些雷射器已廣泛用於藍寶石、顯示器玻璃、陶瓷、金屬箔類和噴油嘴等高難材料的切割和鑽孔。商用超快碟片雷射系統包括通快的TruMicro和Dira系列以及Dausinger + Giesen的VaryDisk系列。
超快碟片雷射加工脆性材料的應用實例(通快)
除了工業應用，近年來科研應用也促進了高脈衝能量、高平均功率雷射系統的發展，使用近紅外泵浦光碟機動非線性效應得到二級光源。比如，通過非線性脈衝壓縮使峰值功率達到太瓦(TW)級甚至更高、通過高次諧波產生極紫外阿秒脈衝、通過光參量啁啾脈衝放大(OPCPA)產生近紅外或中紅外極短脈衝，並在泵浦探測實驗用於研究飛秒或阿秒超快雷射和物質的相互作用。
Attoline裝置原理圖(Ursula Keller團隊)：
通過高次諧波產生極紫外光用於阿秒級泵浦探測實驗
這些科研應用都需要高能量脈衝。由於過去雷射系統的平均功率往往有限，因此要使用較低的重複頻率。但隨著現代工業雷射技術的發展，情況已不復如此。通過高功率泵浦雷射可以大大提高重複頻率，以此提高實驗靈敏度和速度，而且裝置大小適中，能在一般科研實驗室使用。另外，歐洲極端光基礎設施(ELI)等重要超強雷射研究所都在致力於推進高能量、高重頻光源的發展。
為了滿足超強雷射的嚴苛要求，存在各種高功率雷射技術，包括碟片、光纖和板條放大器。碟片再生放大器的主要優勢是能夠在極高脈衝能量時提供衍射極限性能。比如，近年來超快碟片雷射系統已達到千瓦平均功率和200 mJ脈衝能量，焦耳量級脈衝能量將是下一個突破目標。
03
超快碟片雷射器的技術難點與解決方案
很多高功率雷射系統採用MOPA(主振蕩功率放大器)結構，將低功率振蕩器的展寬脈衝導入多級放大器，然後再次壓縮，這樣實施相對複雜。碟片技術執行則更簡單：直接通過鎖模雷射振蕩器產生亞皮秒高功率脈衝。
關於碟片振蕩器的鎖模，可以在共振腔中使用半導體可飽和吸收反射鏡(SESAM)。SESAM支持功率倍增，而且通過雷射共振腔的優化設計，能將熱透鏡效應對碟片的影響降至最小，從而以高平均功率穩定工作。而且還能穩定載波包絡偏移頻率，這對於阿秒泵浦探測實驗非常重要。自從2000年鎖模碟片振蕩器實驗成功以來，Keller團隊不斷在超短脈寬和高平均功率兩個方面取得突破。
超快碟片雷射器近年來有三大技術挑戰：如何管理腔內強光學非線性效應？如何用有限的高功率增益材料獲得更短的脈衝？如何放大平均功率？
如何管理腔內強光學非線性效應？
空氣的光學非線性是鎖模碟片雷射器面臨的老難題。強脈衝改變空氣折射率，足以影響超短脈衝的穩定形成。所以目前最高功率都是在近真空環境中取得的，這讓實驗裝置更為複雜。
這個問題的解決方法之一是在雷射共振腔中加入特殊設計的負非線性晶體，以此抵消腔內氣體的正非線性效應，從而使雷射器能在環境氣壓下工作。通過這種實用方法，Ursula Keller碟片雷射團隊在2018年成功研製出脈寬780 fs、平均功率210 W的SESAM鎖模Yb:YAG碟片雷射器。
如何用有限的高功率增益材料獲得更短的脈衝？
為了比SESAM鎖模Yb:YAG碟片雷射器產生更短的脈衝，另一個研究方向是尋找新的增益材料。Yb:Lu2O3或Yb:CaGdAlO4等材料有望達到YAG的平均功率性能，而且由於發射截面更寬，因此支持更短的脈衝。但是，這些材料在高功率和短脈衝增益之間需有所折中。
如果仍然使用成熟的Yb:YAG材料，修改鎖模機制才能產生更短脈衝。比如，2014年德國馬克斯普朗克量子光學研究所Jonathan Brons等人通過克爾透鏡鎖模(KLM)振蕩器取得的最高270 W的平均功率，證明KLM既能提高功率，而且由於其快速非線性響應還能產生更短的脈衝。理想的鎖模機制需要同時具備SESAM和KLM的優勢，1988年Stankov提出的倍頻非線性反射鏡鎖模技術就同時具備這兩種優勢。這種技術早期成功用於塊狀晶體雷射器，不過峰值功率有限。
Ursula Keller團隊2017年將倍頻非線性反射鏡鎖模技術成功用於碟片雷射器。在最初的原理驗證中，碟片雷射器能夠產生脈寬最短323 fs、平均功率21 W的脈衝，後續將功率提高至87 W，不過脈寬為586 fs。使用商用低吸收非線性晶體突破100 W量級看起來也很可行。
如何放大平均功率？
創造平均功率的新裡程碑是超快碟片雷射研究的核心目標。但是，放大功率也意味著腔鏡需要承受千瓦級平均功率。這對SESAM和色散補償元件是一個問題，因為它們的薄膜結構比標準高反鏡更為複雜，所以熱效應更強、雷射誘導損傷閾值更低。因此，對於給定的輸出功率，鎖模雷射器所需的腔內功率和群延遲色散越小越好，當然也要考慮脈衝形成的穩定性。
設計雷射腔時需要考慮如何讓雷射在碟片上多次反射，以此提高增益和輸出耦合率。減小所需的色散有兩種方法：一是上面提到的自相位調製(SPM)抵消，一是在低壓環境中工作。第二種方法的熱透鏡影響更小。因為以高功率工作時，碟片被泵浦區溫度最高能達到100度左右。這會加熱碟片周圍的空氣，反過來產生氣體透鏡效應。正常氣壓下的氣體透鏡對碟片整體的熱透鏡影響很大，但是在真空能被消除。
超快碟片振蕩器原理圖，密封確保雷射腔內的低壓環境
氣體透鏡研究表明，為了放大功率，在低壓環境中使用多通配置進行SESAM鎖模是非常有效的方法。基於以上考慮，Keller團隊研製了一種工作在30 mbar氮氣環境的超快雷射器，如上圖所示。2019年底超快碟片振蕩器創造新的輸出功率裡程碑：平均功率350 W、脈寬940 fs、脈衝能量40 J。
本文介紹了超快碟片雷射器面臨的核心難題以及所取得的一系列技術進展，這些成果有望為超快碟片雷射器帶來更多應用。雷射性能的進一步提升，更高功率、更短脈衝和更簡單的系統，未來可期。
本文編輯：趙陽
本文來源：中科院長春光機所 Light學術出版中心
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