超快碟片激光器的技術(shù)原理及科研方向
近年來二極管泵浦固體激光器(DPSS)隨應(yīng)用行業(yè)的擴(kuò)增與加工材料的發(fā)展，高功率、高能量成了研究方向之一。傳統(tǒng)二極管泵浦固體激光器采用棒狀或板條狀增益介質(zhì)，這個特征需要快速散熱以防止熱量導(dǎo)致光學(xué)畸變。而高功率意味著更高的發(fā)熱量，這時候使用超薄碟片作為激光增益介質(zhì)是解決問題的重要途徑，不僅能使用更大的泵浦光斑提高功率，也有利于產(chǎn)生高峰值功率超短脈沖。碟片激光器激光只通過很薄的材料，所以高峰值功率不會形成有害的非線性光學(xué)效應(yīng)。
碟片激光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，橫向約幾個厘米，碟片激光裝置通過棱鏡和拋物面鏡等光學(xué)元件使泵浦光束在碟片上多次反射。因為激光和泵浦光斑直徑都遠(yuǎn)大于碟片厚度，熱量很快就能流向背面的散熱片。盡量減薄碟片能夠有效減少激光工作時累積的熱量。由于光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性質(zhì)俱佳，Yb:YAG是目前碟片激光器的標(biāo)準(zhǔn)增益材料。
碟片前表面鍍增透膜，后表面鍍高反膜，整體是一種有源反射鏡結(jié)構(gòu)，能夠高效吸收泵浦光，提高光學(xué)效率。但是，由于碟片太薄，一次反射無法產(chǎn)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(chǎn)生的激光增益只有10%左右。碟片激光器單位長度的增益要遠(yuǎn)高于光纖激光器，在光學(xué)共振腔中放入碟片就足以輸出高平均功率。
激光在碟片上多次反射，不用光學(xué)共振腔也能顯著放大，這種情況可以使用先進(jìn)的多通放大器。碟片激光器是實現(xiàn)100瓦以上超快激光系統(tǒng)的主要商用技術(shù)之一，廣泛用于材料加工，比如制備微米級精度的特征結(jié)構(gòu)。1皮秒左右超短脈沖可快速消融目標(biāo)區(qū)域，避免熱量傳遞到周圍材料，從而產(chǎn)生清晰的特征結(jié)構(gòu)，因此在這類加工中很有優(yōu)勢。
碟片激光可以加工的材料很多，特別是通過非線性頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生紫外光時。這些激光器已廣泛用于藍(lán)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鉆孔。商用超快碟片激光系統(tǒng)已經(jīng)有行業(yè)知名企業(yè)研究問世。
除了工業(yè)應(yīng)用，近年來科研應(yīng)用也促進(jìn)了高脈沖能量、高平均功率激光系統(tǒng)的發(fā)展，使用近紅外泵浦光驅(qū)動非線性效應(yīng)得到二級光源。比如，通過非線性脈沖壓縮使峰值功率達(dá)到太瓦(TW)級甚至更高、通過高次諧波產(chǎn)生極紫外阿秒脈沖、通過光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)產(chǎn)生近紅外或中紅外極短脈沖，并在泵浦探測實驗用于研究飛秒或阿秒超快激光和物質(zhì)的相互作用。
這些科研應(yīng)用都需要高能量脈沖。由于過去激光系統(tǒng)的平均功率往往有限，因此要使用較低的重復(fù)頻率。但隨著現(xiàn)代工業(yè)激光技術(shù)的發(fā)展，情況已不復(fù)如此。通過高功率泵浦激光可以大大提高重復(fù)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(chǔ)設(shè)施(ELI)等重要超強(qiáng)激光研究所都在致力于推進(jìn)高能量、高重頻光源的發(fā)展。
為了滿足超強(qiáng)激光的嚴(yán)苛要求，存在各種高功率激光技術(shù)，包括碟片、光纖和板條放大器。碟片再生放大器的主要優(yōu)勢是能夠在極高脈沖能量時提供衍射極限性能。比如，近年來超快碟片激光系統(tǒng)已達(dá)到千瓦平均功率和200 mJ脈沖能量，焦耳量級脈沖能量將是下一個突破目標(biāo)。
很多高功率激光系統(tǒng)采用MOPA(主振蕩功率放大器)結(jié)構(gòu)，將低功率振蕩器的展寬脈沖導(dǎo)入多級放大器，然后再次壓縮，這樣實施相對復(fù)雜。碟片技術(shù)執(zhí)行則更簡單：直接通過鎖模激光振蕩器產(chǎn)生亞皮秒高功率脈沖。
關(guān)于碟片振蕩器的鎖模，可以在共振腔中使用半導(dǎo)體可飽和吸收反射鏡(SESAM)。SESAM支持功率倍增，而且通過激光共振腔的優(yōu)化設(shè)計，能將熱透鏡效應(yīng)對碟片的影響降至最小，從而以高平均功率穩(wěn)定工作。而且還能穩(wěn)定載波包絡(luò)偏移頻率，這對于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，不斷在超短脈寬和高平均功率兩個方面取得突破。
超快碟片激光器近年來有三大技術(shù)挑戰(zhàn)：如何管理腔內(nèi)強(qiáng)光學(xué)非線性效應(yīng)？如何用有限的高功率增益材料獲得更短的脈沖？如何放大平均功率？空氣的光學(xué)非線性是鎖模碟片激光器面臨的老難題。強(qiáng)脈沖改變空氣折射率，足以影響超短脈沖的穩(wěn)定形成。所以目前最高功率都是在近真空環(huán)境中取得的，這讓實驗裝置更為復(fù)雜。
這個問題的解決方法之一是在激光共振腔中加入特殊設(shè)計的負(fù)非線性晶體，以此抵消腔內(nèi)氣體的正非線性效應(yīng)，從而使激光器能在環(huán)境氣壓下工作。
為了比SESAM鎖模Yb:YAG碟片激光器產(chǎn)生更短的脈沖，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(dá)到Y(jié)AG的平均功率性能，而且由于發(fā)射截面更寬，因此支持更短的脈沖。但是，這些材料在高功率和短脈沖增益之間需有所折中。
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