深圳技术大学 | 高性能超快薄片激光技术

高功率超快激光广泛应用于先进制造、信息、微电子、生物医疗、国防军事等领域，相关科学研究对推动国家科技创新和高质量发展至关重要。薄片激光系统凭借其高平均功率、大脉冲能量和优异的光束质量等优势在阿秒物理、材料加工等科学和工业领域具有重大需求，受到世界各国广泛关注。但目前我国薄片增益器件制备、冷却系统的设计和封装、多冲程泵浦系统等关键技术仍存在不足，这严重限制了我国高功率超快薄片激光的进一步发展。

在国家重点研发计划项目(No.2022YFB3605800)资助下，近日，深圳技术大学阮双琛教授、刘星副教授团队采用自主研发的薄片模块和再生放大技术实现了高性能（高稳定、高功率、高光束质量、高效率）的超快薄片激光输出。通过设计的再生放大腔和对腔内碟片晶体表面温度和机械稳定性控制，实现了单脉冲能量>300 μJ、脉冲宽度<7 ps、平均功率>150 W的激光输出，最高光-光转换效率可达61%，这也是迄今为止超快薄片再生放大报道的最高的光光转化效率，光束质量因子M²<1.06@150W，8h稳定性RMS<0.33%, 该成果标志着高性能超快薄片激光的重要进展，这将为高功率超快激光应用提供更多可能。

成果发表在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)。

高重频、高功率薄片再生放大系统

图1 薄片再生放大系统

薄片激光放大器结构如图1所示。包括光纤种子源、薄片激光头和再生放大腔。种子源采用平均功率15 mW、中心波长1030 nm、脉冲宽度7.1 ps、重复频率30 MHz的掺镱光纤振荡器。薄片激光头采用自制直径8.8 mm、厚度150 µm的Yb: YAG晶体和48冲程泵浦系统。泵浦源采用969 nm锁波长的零声子线LD，使量子缺陷降至5.8%。独特的散热结构可有效冷却薄片晶体，确保了再生腔的稳定性。再生放大腔由普克尔盒(Pockels Cell, PC)、薄膜偏振片(Thin Film Polarizers, TFP)、四分之一波片(Quarter-Wave Plates, QWP)和高稳定谐振腔组成。使用隔离器(Isolator)以防止放大光逆向损坏种子源。TFP1、旋光器(Rotator)和半波片(Half-Wave Plates, HWP)组成的隔离器结构，用于隔离输入种子和放大后脉冲。种子脉冲通过TFP2进入再生放大腔。偏硼酸钡(BBO)晶体、PC和QWP结合构成光开关，对PC施加周期性高电压，以选择性地捕获种子脉冲使其在腔内往返传播。通过对普克尔盒加压周期的精细调整，使期望脉冲在腔内振荡，在往返传播过程中进行有效放大。

图2 薄片再生放大系统输出性能

在1 MHz时，再生放大器最大输出功率为154.1 W，光-光转换效率最高可达61%，最高功率下的光束质量因子为M_X² = 1.05，M_Y² = 1.06，8小时功率稳定性RMS<0.33%。

总结和展望

该薄片再生放大器表现出良好的输出性能，将在极紫外光刻、阿秒泵浦源和3C电子、新能源汽车等高端制造领域业发挥重要作用。同时，薄片激光技术有望应用于大型超强激光装置，为在纳米空间尺度和飞秒时间尺度的物质形成和精细探测提供全新的实验手段。项目团队以服务国家重大需求为目标，将继续聚焦激光技术创新，进一步突破战略性大功率激光晶体制备，切实提高我国信息、能源、高端装备等领域激光器件的自主研发能力。

作者简介/团队简介

第一作者：徐思志，深圳技术大学光学工程博士。主要从事高功率超快薄片激光再生放大和多通放大技术、非线性频率变化等研究，作为项目核心成员参与国家重点研发项目。

通信作者：刘星，深圳技术大学副教授，深圳市海外高层次人才。目前主要从事超快薄片激光技术、非线性光学等方面的研究。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金，陕西省自然科学基金等多个项目。在Physical Review Letter, Nanophononics, Optics Letters, Photonics Research等期刊发表论文五十余篇。

吕启涛，大族激光科技产业集团股份有限公司副总经理兼首席技术官，国家级高层次专业人才、深圳市海外高层次A类人才，曾荣获中华国际科学交流基金会“杰出工程师奖”、广东省突出贡献奖、深圳市政府特殊津贴，所主导研发的高功率紫外激光器及高功率超快激光光源，综合指标达到国际领先水平，创造了100多亿元的销售收入，并荣获广东省科学技术一等奖、深圳市科技进步一等奖。