高能量（>1mJ）、短脈沖（<300fs）的超短超強(qiáng)激光，在工業(yè)超精密加工和前沿科研中極具價值。工業(yè)加工方面，它可實現(xiàn)脆性材料切割、超硬材料加工、太陽能電池加工、異形孔與微孔制造、材料表面微結(jié)構(gòu)加工、異種材料焊接等，提升加工精度與效率，助力企業(yè)降本增效�？蒲蓄I(lǐng)域，其助力高次諧波產(chǎn)生、阿秒光源生成、極紫外光學(xué)頻率梳構(gòu)建、大氣等離子體激發(fā)、超精密測距等研究，推動科學(xué)探索邁向新高度。該激光技術(shù)為工業(yè)升級與科研突破提供強(qiáng)大動力，商業(yè)潛力巨大。

然而，高重頻高能量固體激光器的熱效應(yīng)問題也十分顯著，導(dǎo)致光束質(zhì)量難以保持，運行穩(wěn)定性受到影響。奧創(chuàng)光子固體激光實驗室針對這一技術(shù)問題，提出新的技術(shù)路線，不同于奧創(chuàng)光子傳統(tǒng)的板條高功率行波放大器，團(tuán)隊開發(fā)了一款基于雙晶再生放大結(jié)構(gòu)的1035nm固體飛秒激光器，利用雙晶結(jié)構(gòu)分散泵浦熱量，有效降低了熱效應(yīng)，同時得益于該激光晶體的寬發(fā)射譜特性，激光系統(tǒng)最終獲得了最大平均功率40W，最大單脈沖能量4mJ，最短脈沖寬度<150fs的激光輸出。

該產(chǎn)品的光學(xué)技術(shù)方案為光纖信號光源結(jié)合固體再生放大器，并以單級行波固體放大器作為系統(tǒng)的主放大單元。信號光源采用一套平均功率450mW、重復(fù)頻率41MHz的寬光譜光纖激光系統(tǒng)，包含鎖模摻鐿光纖振蕩器、脈沖展寬器與單模摻鐿光纖放大器，輸出激光中心波長1035nm，光譜寬度23.5nm，與再生放大器的增益介質(zhì)光譜特性匹配。

雙晶體飛秒再生放大器（RA）（圖1）采用250W的980nm光纖耦合半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，由PBS將泵浦光均勻地分成水平偏振光和垂直偏振光，為了利用激光晶體偏振相關(guān)的吸收截面特性，用半波片將垂直偏振光旋轉(zhuǎn)到水平方向以提升對泵浦光吸收率。泵浦光由透鏡L1準(zhǔn)直，等光程傳輸后由透鏡L2、L3分別耦合進(jìn)寬帶激光晶體（C1、C2）。

圖1. 4mJ雙晶飛秒再生放大器實驗裝置圖 （seed：光纖種子；ISO：隔離器；HWP1-HWP3：半波片；QWP：四分之一波片；TFP1-TFP4：偏振片；FR：法拉第旋光器；PC：普克爾盒；C1、C2、C3：激光晶體；M1、M2：平面反射鏡；R1、R2：凹面反射鏡；DM1、DM2、DM3：二向色鏡；PBS：偏振分光棱鏡；L1-L5：透鏡；pump：泵浦源；compressor：脈沖壓縮器）

普克爾盒（PC）與四分之一波片組成一個Q開關(guān)，用于鎖住種子脈沖和釋放放大脈沖；通過控制PC的占空比、頻率和延遲時間，可以控制脈沖在腔內(nèi)的往返次數(shù)，以獲得最優(yōu)輸出。所設(shè)計的再生放大腔具有對稱共焦結(jié)構(gòu)，平面反射鏡（M1、M2）作為再生腔的兩個端鏡，鍍有1020-1064 nm的高反介質(zhì)膜（R>99.9%）；凹面反射鏡（R1、R2）鍍有1020-1064 nm的高反介質(zhì)膜（R>99.9%），其曲面反射面對高斯光束的整形可以增大信號光和泵浦光的模式匹配體積，提高放大效率。二向色鏡（DM1、DM2）鍍有1020-1040nm的高反介質(zhì)膜（R>99.6%）和890-990nm的高透介質(zhì)膜（R<0.6%）。

該再生腔的總長度約為2.5 m，對應(yīng)的腔內(nèi)脈沖往返時間為16.7 ns。由于泵浦光功率較高，腔內(nèi)的熱效應(yīng)不可忽視，在含熱透鏡的腔型設(shè)計中須兼顧放大效率與光束質(zhì)量。再生放大器采用了特殊設(shè)計的熱不靈敏腔（圖2），激光晶體采用了雙路水冷的散熱結(jié)構(gòu)，以確保在50~120W泵浦強(qiáng)度下，腔內(nèi)模場分布穩(wěn)定。優(yōu)化調(diào)試后的再生放大器，輸出最大3.3mJ的展寬脈沖（10kHz重頻），測得光束質(zhì)量M2<1.3。

圖2. 熱焦距與泵浦光功率的熱不敏感關(guān)聯(lián)性設(shè)計

再生放大級對信號光完成了高增益放大，經(jīng)光束整形透鏡組的模式轉(zhuǎn)換后，注入后繼的行波主放大器。精準(zhǔn)的模式轉(zhuǎn)換有效實現(xiàn)了行波放大器中的信號光-泵浦光模式匹配，經(jīng)主放大級后依然保持了優(yōu)良的光束質(zhì)量。同樣是為了保持光束質(zhì)量，并減少光譜增益窄化效應(yīng)，該單級行波放大器設(shè)計為僅提供有限的增益，在10kHz重頻下輸出平均功率50W。脈沖壓縮器采用高衍射效率透射式光柵對，其提供的色散特性與前端展寬器相匹配，并可以在實驗中微調(diào)；得益于脈沖的寬光譜，壓縮后測得脈寬148fs，對應(yīng)平均功率40W，單脈沖能量4mJ。

該激光器整機(jī)的24小時內(nèi)功率穩(wěn)定性RMS<1%；pulse-to-pulse能量長時間穩(wěn)定性＜0.5%@24h。部分測試參數(shù)如圖3所示。

（a）光束質(zhì)量

（b）功率穩(wěn)定性

（c）自相關(guān)穩(wěn)定性

圖3.  4mJ、10kHz固體飛秒激光器部分測試參數(shù)

上述指標(biāo)的再生+行波固體激光放大系統(tǒng)具有高能量、窄脈寬、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。數(shù)十瓦的平均功率處于飛秒激光器的中等功率范疇，但極高的單脈沖能量和峰值功率使之具有與物質(zhì)作用時的瞬時強(qiáng)電場，對各類材料幾乎無堅不摧，是名副其實的強(qiáng)場激光源。該激光器的推出擴(kuò)展了奧創(chuàng)光子高能飛秒激光器產(chǎn)品家族的能量上限，與基于板條放大技術(shù)的百瓦高功率飛秒激光器系列產(chǎn)品形成互補(bǔ)，完善了高功率大能量飛秒激光器產(chǎn)品的指標(biāo)覆蓋度，為用戶針對不同應(yīng)用選取各類飛秒激光光源提供了更多選項。