高能量（>1mJ）、短脈沖（<300fs）的超短超強激光，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、材料表面微結構加工、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。科研領域，其助力高次諧波產生、阿秒光源生成、極紫外光學頻率梳構建、大氣等離子體激發(fā)、超精密測距等研究，推動科學探索邁向新高度。該激光技術為工業(yè)升級與科研突破提供強大動力，商業(yè)潛力巨大。

然而，高重頻高能量固體激光器的熱效應問題也十分顯著，導致光束質量難以保持，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問題，提出新的技術路線，不同于奧創(chuàng)光子傳統(tǒng)的板條高功率行波放大器，團隊開發(fā)了一款基于雙晶再生放大結構的1035nm固體飛秒激光器，利用雙晶結構分散泵浦熱量，有效降低了熱效應，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。

該產品的光學技術方案為光纖信號光源結合固體再生放大器，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的吸收截面特性，用半波片將垂直偏振光旋轉到水平方向以提升對泵浦光吸收率。泵浦光由透鏡L1準直，等光程傳輸后由透鏡L2、L3分別耦合進寬帶激光晶體（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，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的往返次數，以獲得最優(yōu)輸出。所設計的再生放大腔具有對稱共焦結構，平面反射鏡（M1、M2）作為再生腔的兩個端鏡，鍍有1020-1064 nm的高反介質膜（R>99.9%）；凹面反射鏡（R1、R2）鍍有1020-1064 nm的高反介質膜（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的高反介質膜（R>99.6%）和890-990nm的高透介質膜（R<0.6%）。

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

圖2. 熱焦距與泵浦光功率的熱不敏感關聯性設計

再生放大級對信號光完成了高增益放大，經光束整形透鏡組的模式轉換后，注入后繼的行波主放大器。精準的模式轉換有效實現了行波放大器中的信號光-泵浦光模式匹配，經主放大級后依然保持了優(yōu)良的光束質量。同樣是為了保持光束質量，并減少光譜增益窄化效應，該單級行波放大器設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；得益于脈沖的寬光譜，壓縮后測得脈寬148fs，對應平均功率40W，單脈沖能量4mJ。

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

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（a）光束質量

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（b）功率穩(wěn)定性

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（c）自相關穩(wěn)定性

圖3.  4mJ、10kHz固體飛秒激光器部分測試參數

上述指標的再生+行波固體激光放大系統(tǒng)具有高能量、窄脈寬、高穩(wěn)定性、結構緊湊等特點。數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作用時的瞬時強電場，對各類材料幾乎無堅不摧，是名副其實的強場激光源。該激光器的推出擴展了奧創(chuàng)光子高能飛秒激光器產品家族的能量上限，與基于板條放大技術的百瓦高功率飛秒激光器系列產品形成互補，完善了高功率大能量飛秒激光器產品的指標覆蓋度，為用戶針對不同應用選取各類飛秒激光光源提供了更多選項。