高功率超快激光廣泛應用於(yu) 先進製造、信息、微電子、生物醫療、國防軍(jun) 事等領域，相關(guan) 科學研究對推動國家科技創新和高質量發展至關(guan) 重要。薄片激光係統憑借其高平均功率、大脈衝(chong) 能量和優(you) 異的光束質量等優(you) 勢在阿秒物理、材料加工等科學和工業(ye) 領域具有重大需求，受到世界各國廣泛關(guan) 注。但目前我國薄片增益器件製備、冷卻係統的設計和封裝、多衝(chong) 程泵浦係統等關(guan) 鍵技術仍存在不足，這嚴(yan) 重限製了我國高功率超快薄片激光的進一步發展。

在國家重點研發計劃項目(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的薄片模塊和再生放大技術實現了高性能（高穩定、高功率、高光束質量、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(nei) 碟片晶體(ti) 表麵溫度和機械穩定性控製，實現了單脈衝(chong) 能量>300 μJ、脈衝(chong) 寬度<7 ps、平均功率>150 W的激光輸出，最高光-光轉換效率可達61%，這也是迄今為(wei) 止超快薄片再生放大報道的最高的光光轉化效率，光束質量因子M²<1.06@150W，8h穩定性RMS<0.33%, 該成果標誌著高性能超快薄片激光的重要進展，這將為(wei) 高功率超快激光應用提供更多可能。

成果發表在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 薄片再生放大係統

薄片激光放大器結構如圖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、脈衝(chong) 寬度7.1 ps、重複頻率30 MHz的摻鐿光纖振蕩器。薄片激光頭采用自製直徑8.8 mm、厚度150 µm的Yb: YAG晶體(ti) 和48衝(chong) 程泵浦係統。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%。獨特的散熱結構可有效冷卻薄片晶體(ti) ，確保了再生腔的穩定性。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)組成的隔離器結構，用於(yu) 隔離輸入種子和放大後脈衝(chong) 。種子脈衝(chong) 通過TFP2進入再生放大腔。偏硼酸鋇(BBO)晶體(ti) 、PC和QWP結合構成光開關(guan) ，對PC施加周期性高電壓，以選擇性地捕獲種子脈衝(chong) 使其在腔內(nei) 往返傳(chuan) 播。通過對普克爾盒加壓周期的精細調整，使期望脈衝(chong) 在腔內(nei) 振蕩，在往返傳(chuan) 播過程中進行有效放大。

圖2 薄片再生放大係統輸出性能

在1 MHz時，再生放大器最大輸出功率為(wei) 154.1 W，光-光轉換效率最高可達61%，最高功率下的光束質量因子為(wei) M_X² = 1.05，M_Y² = 1.06，8小時功率穩定性RMS<0.33%。

該薄片再生放大器表現出良好的輸出性能，將在極紫外光刻、阿秒泵浦源和3C電子、新能源汽車等高端製造領域業(ye) 發揮重要作用。同時，薄片激光技術有望應用於(yu) 大型超強激光裝置，為(wei) 在納米空間尺度和飛秒時間尺度的物質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(wei) 目標，將繼續聚焦激光技術創新，進一步突破戰略性大功率激光晶體(ti) 製備，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能力。

第一作者：徐思誌，深圳技術大學光學工程博士。主要從(cong) 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(wei) 項目核心成員參與(yu) 國家重點研發項目。

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(cong) 事超快薄片激光技術、非線性光學等方麵的研究。主持國家重點研發計劃子課題、 國家自然科學基金，陝西省自然科學基金等多個(ge) 項目。在Physical Review Letter, Nanophononics, Optics Letters, Photonics Research等期刊發表論文五十餘(yu) 篇。

呂啟濤，大族激光科技產(chan) 業(ye) 集團股份有限公司副總經理兼首席技術官，國家級高層次專(zhuan) 業(ye) 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(hui) “傑出工程師獎”、廣東(dong) 省突出貢獻獎、深圳市政府特殊津貼，所主導研發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，創造了100多億(yi) 元的銷售收入，並榮獲廣東(dong) 省科學技術一等獎、深圳市科技進步一等獎。