高功率全固态飞秒激光器

高功率飞秒激光聚焦后的功率密度非常大，可以轻而易举地诱导几乎任何材料的分子价键断裂和原子电离，由此造成的相变等不可逆转的物态、物性变化为超快激光材料加工提供了物理基础。由于强度高，超快激光加工具有材料广谱性，对象包括金刚石、蓝宝石、玻璃、半导体、金属、陶瓷和高分子等各种材料。由于激发过程超快，避免了热弛豫，从而使超快激发成为一个准绝热过程。传统的 3D 打印机用的都是纳秒脉冲激光器，加工一些低温材料还可以，如果要加工更高温度的材料，需要更大的激光功率，这时候产生的热应力就会影响到打印的效果。采用飞秒激光进行 3D 打印，几乎不会产生热应力，在制造更致密的零件方面就具有先天优势。目前，超快激光微加工已经在消费电子、生物医疗、航空航天、信息技术、新能源、新材料等产业得到应用。

目前商品化的高功率飞秒激光器主要包括钛宝石激光器和光纤激光器。钛宝石激光器非常成熟，但价格及其昂贵。光纤激光器由于具有非常高的非线性效应，高功率输出下脉冲宽度较长（>500 fs），在特殊材料切割，异形孔加工等方面仍存在加工精度不足，加工速度较慢等问题。相比之下， 全固态飞秒激光器具有单脉冲能量大、脉冲宽度窄（<100 fs）、成本低廉等特点，不仅可以实现对特种材料的精细加工（玻璃、陶瓷、特种脆性材料），而且在激光医学（齿科、眼科、结石手术）等领域也表现出了独特的优势，具有极大的应用前景。因此，开发高功率全固态飞秒激光器具有重要应用。

高功率超短脉冲激光在精密激光微纳制造等工业和科研领域已经崭露头角。本项目基于全固态飞秒激光技术开发可用于特种材料精细加工以及多光子实时显微成像的高平均功率、窄脉冲宽度以及高重复频率的全固态飞秒激光器。我们在激光二极管（LD）泵浦的掺镱全固态飞秒激光器方面开展了深入的研究，研制成功了多款高功率、窄脉宽全固态飞秒激光振荡器（如图 1）和放大器（如图 2），激光指标国际先进、国内领先。对标国际知名激光品牌立陶宛 Light Conversion 公司系列产品，拟基于已有的高功率窄脉冲克尔透镜锁模全固态飞秒激光器开展全固态飞秒激光器的产业化研究。通过优化全固态飞秒激光器单元器件技术、激光系统整机工程工艺设计、质量控制和集成化研究，研制成功结构小、效率高、稳定可靠的高功率全固态飞秒激光器。

图1. 高功率窄脉冲飞秒振荡器原理样机及输出参数

图2. 全固态飞秒放大器实物照片

高功率泵浦下热管理技术

一方面高平均功率的飞秒激光输出需要高功率连续激光泵浦，另一方面掺镱全固态飞秒激光器的光光效率一般为 10%-30%，因此晶体吸收的很大一部分泵浦光会转化为热量。为了缓解热积累对飞秒锁模激光光束质量、功率稳定性的影响，需要对晶体进行有效热管理。我们已经掌握该核心技术，图 3 所示为我们利用已申请专利的热管理方案，在 100 W 泵浦功率下可实现>20 W 平均功率输出，且光束质量优于 1.2，功率抖动小于 0.5%。

图3. 100W功率泵浦下（吸收效率 57%）飞秒放大器可输出20W平均功率，光束质量优于1.2

高功率克尔透镜锁模技术LD 泵浦的全固态飞秒激光器产生窄脉冲输出的主要技术手段是克尔透镜锁模技术。我们利用克尔透镜锁模技术从掺镱全固态飞秒激光器中可获得最短 33 fs 的脉冲（Photonics Research 3(6), 335 (2015)）。但传统的克尔透镜锁模激光器输出功率一般在——100 mW 量级，限制了其在许多领域的应用。我们发展了一种新的双聚焦谐振腔结构，使得高功率激光输出和克尔透镜锁模可以同时得到保证。利用 LD 直接泵浦，我们在 Yb:CYA 激光器中得到了平均功率 1.5 W、脉冲宽度 68 fs 的结果，比之前的输出功率提高了一个数量级。相关研究成果发表在Photonics Research 6(2), 127 (2018（) 中科院I 区），2019 年授权发明专利一件（一种LD 泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，ZL 2017 1 0568672.6），见图 4 所示。

图4. 基于双共焦腔的高功率克尔透镜锁模激光器

通过进一步优化腔型设计，实现了平均功率 6.2W、脉冲宽度 59fs 和平均功率 10W、脉冲宽度 97fs 的高功率窄脉宽克尔透镜锁模运转，其最高单脉冲能量 124nJ，峰值功率达 1.85MW，是目前块状 Yb 全固态飞秒激光器中得到的最高峰值功率，相关成果发表在 Optics Express 27, 21448 (2019)和Optics Letters 46, 1297 (2021)。