飛秒激光平均功率的提升大多集中在對MOPA系統(tǒng)中多級放大器或多通放大器的增益提取�？紤]到兼顧脈沖能量的提升，多級光纖放大器一般作為前端預(yù)放大級，當(dāng)非線性積累到一定程度就需要采用大截面積的激光增益介質(zhì)。傳統(tǒng)的固體放大器在數(shù)十瓦甚至二百瓦左右平均功率水平依然保持其兼顧激光功率和能量提升的優(yōu)勢，但其中的多級固體放大光路的每一級增益隨著平均功率的升高而趨于飽和，尤其是對百瓦高功率信號的放大增益較小，導(dǎo)致高功率塊狀晶體放大器泵浦利用率低，制約了激光系統(tǒng)整體平均功率的進(jìn)一步升高。

此外，塊狀激光晶體在高泵浦強(qiáng)度下熱效應(yīng)嚴(yán)重，單純依靠加大晶體外圍熱沉的熱導(dǎo)率等方法依然不能有效消除熱積累。增益介質(zhì)自身結(jié)構(gòu)的改良可有效改變其散熱效果，如極大表面積的增益光纖就是以細(xì)長狀幾何形貌增大散熱面積,這使其具有很好的散熱功能,對產(chǎn)生的熱量管理更為有效。同樣的散熱思路，薄板狀結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)的板條激光放大器，激光的放大在增益介質(zhì)長度方向，而散熱在增益介質(zhì)厚度方向，由此可實現(xiàn)高功率、高能量連續(xù)或脈沖激光輸出，且保持可控的光束質(zhì)量。

奧創(chuàng)光子的高能高功率系列飛秒激光器已將CPA架構(gòu)下的光纖+固體MOPA放大模式定型于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中，其光纖預(yù)放大器綜合了對種子脈沖的展寬和小信號放大，其后的固體功放系統(tǒng)借助于復(fù)雜的多級多通放大器模組，實現(xiàn)輸出平均功率最高190W。隨后的CPA壓縮器以及光束時空管理器件引入可接受的損耗后，依然輸出平均功率150W的飛秒激光。平均功率200W以上的飛秒激光，就需要更高的MOPA增益，為了規(guī)避復(fù)雜的熱效應(yīng)制約，我們優(yōu)化MOPA結(jié)構(gòu)為塊狀固體放大器與板條放大器結(jié)合的方式，即在固體放大器基礎(chǔ)上，采用緊湊的兩級板條放大器提升功率5~7倍。實現(xiàn)這樣的高功率且具有可觀增益的固體放大器，須綜合考慮泵浦光整形形貌、信號光在增益介質(zhì)中的交疊因子、激光晶體有效散熱等，具體措施涉及耦合透鏡組的設(shè)計、光束勻化器件的設(shè)計、信號光束多通光路的設(shè)計、激光晶體熱沉封裝、光束整形鏡組的開發(fā)等等大量工程化細(xì)節(jié)工作。

圖1. 雙級雙端泵浦的板條Yb:YAG激光放大器光路示意圖

圖1為奧創(chuàng)光子的400W飛秒激光器中板條主放大器的光路示意圖，采用平面布局的整體光路架構(gòu)，包括兩級放大器，均采用15×10×1mm的Yb:YAG晶體作為增益介質(zhì)。針對400W平均功率的飛秒激光器產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)，作為主放大器的板條放大系統(tǒng)需要總功率不低于2200W的泵浦光，因此該放大器的開發(fā)重點工作集中于兩臺泵浦源輸出泵浦光的整形、聚焦以及為保護(hù)泵浦源而設(shè)計的反向隔離措施。

為了簡化板條激光放大器的裝調(diào)難度，同時確保足夠的增益倍率，采用以平面反射鏡為腔鏡的兩級板條雙端泵浦結(jié)構(gòu)，第一級為7通光路結(jié)構(gòu)，第二級為5通光路結(jié)構(gòu)，初始信號光經(jīng)透鏡和柱透鏡整形為橢圓狀光強(qiáng)分布，在水平方向以較小的發(fā)散角進(jìn)入板條放大器，兩級板條放大器共用兩個高功率微通道疊陣泵浦源，每個泵浦源的輸出光經(jīng)空間分光鏡分束為兩個相互垂直的傳輸光路，各自進(jìn)入光束整形勻化光學(xué)系統(tǒng)，而后經(jīng)過耦合鏡頭整形再分別進(jìn)入兩級Yb:YAG板條晶體。

隨著泵浦電流的提升，兩級板條放大器同時獲得增益，輸出放大光；然而第二級板條放大器的提取效率會受前級放大器輸出的光功率和空間分布的影響，考慮到系統(tǒng)輸出光束質(zhì)量的要求，所以第二級板條放大器更側(cè)重于維持良好的光束質(zhì)量，即需要合理的設(shè)計一二級之間的光束整形系統(tǒng)，才能更有效的提取第二級增益介質(zhì)中的儲能。

圖2. 雙級共泵浦源Yb:YAG板條放大器的放大動力學(xué)曲線

圖2為該板條放大器的輸出放大功率與電流關(guān)系曲線，隨著泵浦功率密度的升高，板條放大器的增益也逐漸提升；整體光光轉(zhuǎn)化效率18.4%，相信在更優(yōu)的泵浦條件下，放大效率還有上升空間。

圖3. 板條放大器在最大輸出功率下的光束質(zhì)量測量

圖3是放大輸出的光束空間特性曲線，可見光斑圓度82%，光束質(zhì)量M2~1.4。由于放大的啁啾脈沖激光功率高、能量高，脈沖壓縮器須承受較大光強(qiáng)，為了適當(dāng)降低投射到器件表面的光功率密度，進(jìn)入壓縮器的光束直徑控制在2.7~3.0mm。衍射光柵對構(gòu)成脈沖壓縮器，由于Yb:YAG晶體在高功率放大過程的光譜增益窄化效應(yīng)，全部光譜成分處于衍射光柵的有效通光面內(nèi)；受到熱致退偏效應(yīng)的影響，脈沖壓縮器整體效率84%，輸出845fs脈寬的1mJ脈沖，平均功率達(dá)404W。

圖4. 板條放大器輸出放大脈沖經(jīng)過色散補(bǔ)償后的飛秒脈沖自相關(guān)曲線

圖4是壓縮后的飛秒脈沖自相關(guān)曲線。板條固體放大路線是強(qiáng)激光系統(tǒng)在一定程度克服熱效應(yīng)制約的有效路徑之一，其高緊湊的放大模塊結(jié)構(gòu)，以及對增益介質(zhì)儲能的高效利用，使之成為升級傳統(tǒng)塊狀激光晶體多級行波放大器的最具工程化潛力放大單元。但是基于Yb:YAG晶體的固體高增益放大器受激光增益介質(zhì)發(fā)射譜寬的制約，輸出放大激光光譜窄化明顯，不利于飛秒脈沖的壓縮，板條激光放大器亦無法避免此問題；后續(xù)奧創(chuàng)光子也將嘗試光譜預(yù)整形等方法來補(bǔ)償寬譜激光放大過程的光譜增益窄化現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)自：奧創(chuàng)光子

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文僅供交流學(xué)習(xí)之用，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時處理。