高功率大能量窄脉宽全固态激光器研究进展特邀.pdf
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1、第38 卷第3期2023年6 月综述光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATIONVol.38,No.3June,2023高功率大能量窄脉宽全固态激光器研究进展(特邀)相贺鹏,陈东檬*,郑锦灿,张犁天(北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院,北京)摘要:高功率大能量窄脉宽的高峰值功率激光广泛应用于材料加工、科学研究等领域。综述了目前获得高功率大能量全固态超短脉冲激光输出的圆棒、板条、薄片放大器以及在半导体加工等领域极具应用前景的高功率大能量全固态调Q激光器国内外最新研究进展。关键词:全固态激光器;激光放大器;圆棒激光器;板条激光器;薄片激光器;调Q激光器
2、中图分类号:TN248High Power,High Energy and Narrow Pulse Width All-solid-state Lasers(Invited)(Institute of Laser Engineering,Faculty of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technology,Beijing,China)Abstract:High-power,high-energy and narrow pulse laser is widely employed in the various areas
3、 such as ma-terial processing and scientific research.The present research status of rod,slab and thin-disk amplifiers that ob-tain high-power and high-energy all-solid-state ultrashort pulse laser output,as well as Q-switched lasers with greatapplication prospects in the field of semiconductor proc
4、essing are introduced in details.Key words:all-solid-state laser;laser amplifier;rod laser;slab laser;thin disk laser;Q-switched laser激光是2 0 世纪人类重大发现之一,自196 0 年梅曼 成功研制了人类历史上第一台激光器以来,激光技术发展迅速,应用领域不断扩展,不仅促进了现代科学技术的蓬勃发展,而且逐渐融入了人类科学研究和日常生活中的各个领域。随着激光技术在众多领域的应用场景与规模日益扩大,以及在各行各业研究中取得的深人进展,人们对激光器的输出功率、输出能量
5、、光束质量的要求不断提升,尤其是对大能量窄脉冲的高峰值功率激光需求越来越广泛,在材料加工、科学研究等领域产生深远影响。兆瓦级(MW)峰值功率的激光在材料加工领域有着广泛应用2-5;吉瓦级(CW)峰值功率及更高级别(TW,PW)的激光应用于各类基础科学研究,如通过超短超强激光获得基于高次谐波产生的孤立阿秒极紫外脉冲技术,这是阿秒技术及其应用的一项关键技术6-9;同样在激光大气成丝研究10-1,粒子加速12-14,X射线激光器 5,量子文献标识码:AXIANG Hepeng,CHEN Meng,ZHENG Jincan,ZHANG Litian文章编号:16 7 3-12 55(2 0 2 3)-
6、0 3-0 0 0 1-15电动力学16-17 1和核光子学112.18 等研究领域,高峰值功率成为激光器技术发展不变的追求。全固态激光器相比气体激光器、半导体激光器、光纤激光器等其他类型激光器,在实现高峰值功率输出上更具有技术优势。为此,围绕全固态超短脉冲激光器和调Q激光器,综述了近年来高峰值功率激光器的发展现状,主要介绍了目前获得大能量皮秒(ps)、纳秒(ns)脉冲全固态激光器及放大器的优势与限制和最新研究进展。1高功率全固态超快激光器发展现状高功率大能量超短脉冲激光通常采用主振荡功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)方式来实现,主振荡功率
7、放大结构使用主振荡器产生高光束质量的种子光,然后经过一级或多级功率收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 3基金项目:国家自然科学基金天文联合基金重点项目(U1631240)2放大器,获得具有高光束质量的高功率激光。1985年,STRICKLANDD与MOUROUGl9发明了调啾脉冲放大技术(chirpedpulseamplification,CPA),先对超短脉冲进行时域展宽,然后进行能量放大,再将放大后的脉冲进行时域压缩,有效避免了超高峰值功率对放大器中增益介质和其他透射式光学元器件的损坏,同时脉冲展宽后有利于提取增益介质的能量,为超短超强激光的快速发展奠定了基础。基于啾脉冲放大技术,当前已
8、实现激光峰值功率10 15瓦级(10 PW)20和单脉冲能量百焦耳(100 J)以上输出2 1 由于超短脉冲锁模振荡级输出的种子光能量非常弱,只有几个纳焦(nJ)甚至是皮焦(pJ)量级,在主功率放大之前,大能量的超短脉冲激光还通常采用再生放大技术作为预放大级。再生放大器能提供5 7 个数量级的增益并在一定程度上抑制了放大自发辐射2 ,当再生放大器的脉冲能量放大到一定水平后,再生腔内工作器件的损伤阈值和热效应等会限制脉冲能量的进一步提高,此时脉冲能量和平均功率的扩展就需要再通过一级或多级功率放大器来进一步提升。在多级功率放大系统中,随着种子光能量的不断被放大,其功率密度也不断增加,超短脉冲由于其
9、窄的脉宽具有超高的峰值功率,过高的峰值功率密度极易造成增益介质或其他光学元器件的损伤,同时因为高功率激光器在运行中产生的废热引起的热透镜、应力、退偏、双折射等效应,如果不通过技术解决将限制高功率、大能量和高光束质量激光光源的获得。目前,自发辐射(ASE)、激光热致损伤(LID)和热效应仍然是高功率全固态激光系统需要克服的主要瓶颈。下面根据高功率超短脉冲激光放大器采用的增益介质形状,分为:圆棒(rod)放大器、板条(slab)放大器、薄片(thin-disk)放大器进行分别介绍。1.1圆棒放大器掺Nd+离子圆棒是目前发展最成熟、应用最广泛的增益介质,因其尺寸较大且具有良好的均匀性和对称性,可实现
10、泵浦光与振荡光之间良好的模式匹配。其泵浦方式有端面泵浦和侧面泵浦,端面泵浦是指泵浦光从圆棒晶体的端面入射,激光沿泵浦光的抽运方向振荡,端面面积越小,激光振荡模式光电技术应用与泵浦光匹配度越高,因此转换效率高、光束质量好。然而,较小的端面面积限制了注人抽运光功率,功率密度变大对激光晶体的损伤阈值提出了更高的要求,从而限制了端面泵浦圆棒激光器获得高功率激光输出的能力。侧面泵浦指泵浦光从圆棒晶体的侧面入射,产生的激光振荡方向与泵浦光方向垂直,相比于端面泵浦,侧面泵浦激光振荡模式与泵浦光匹配度相对低,输出的光束质量不如端面泵浦优秀,但侧面泵浦可以很容易的将高功率泵浦光注入到晶体棒内,从而实现高功率输出
11、。目前单个圆棒泵浦单元可以获得千瓦(kW)量级以上连续激光功率输出,2 0 0 5年BRUESSELBACH等侧面注入单根激光棒9 kW的泵浦功率,得到2.6 5kW连续激光输出2 3。还可以通过多个激光棒串接的方式增加输出功率,2 0 0 3年,日本Toshiba公司使用6 个激光棒串接,获得了12 kW激光输出2 4。对于大能量脉冲激光,全固态圆棒激光器具有输出焦耳(J)级单脉冲能量的能力,例如2 0 17 年,XUI25等人报道的Nd:YLF圆棒激光器的输出单脉冲能量为9 J,对应的峰值功率为6 92.3MW,这也是当前全固态圆棒激光器所报道的最大脉冲能量。2013年,DANIELWEN
12、26等报道了一种LD准连续泵浦的圆棒Nd:YAG激光系统,如图1所示。该激光系统再生放大器与双通功率放大器均采用LD侧面泵浦的圆棒Nd:YAG作为增益介质,再生放大器将1nJ、8 0 MH z 的皮秒种子脉冲放大到1.2 mJ、300Hz,然后使用两级串联的圆棒Nd:YAG双通放大模块进一步放大,两级圆棒Nd:YAG晶体尺寸分别为6.35mm146mm与10mm146mm,最终获得了重复频率30 0 Hz,单脉冲能量130 mJ,脉冲宽度6 4ps的10 6 4nm激光脉冲。2016年,龙明亮2 7 等使用体布拉格光栅(VBG)将皮秒种子脉冲展宽,经过1kHz重复频率的LD侧面泵浦的圆棒Nd:
13、YAG再生放大器后,得到单脉冲能量9.4mJ,脉宽8 7.5ps的激光输出,再使用体布拉格光栅将脉冲宽度压缩,最终获得了重复频率1kHz,单脉冲能量8.8 mJ,脉宽32.7 ps的10 6 4nm激光脉冲输出,对应峰值功率为2 6 9MW;同年他们又将经标准具展宽后脉宽为135ps的种子光注侧面泵浦圆棒Nd:YAG的双倍长度再生放大腔内放大2 8 ,然后又让其单次通过三级侧面泵浦圆棒Nd:YAG放大模块,获得了重复频率1kHz,单脉冲能量58mJ,脉冲宽度40 ps的10 6 4nm激光输出。2 0 17 年,第38 卷0.07 nJ,第3期他们使用侧面泵浦圆棒Nd:YAG模块的再生放大器与
14、多级放大器2 9(参见图2),获得了重复频率为1kHz,平均功率为96 W,脉宽50 ps的10 6 4nm皮PinholeTFPPockelsHCell入/4RegenerativeamplifierFR/2TFPDouble-pass amplifiers相贺鹏等:高功率大能量窄脉宽全固态激光器研究进展(特邀)EtalonH1 064 nmNd:YAGNd:YVO4oscillator1 nJ,80MHzFR1.2 nJ,2/2TFPQCW-pumpedNd:YAG d6.3 mmFRVTTFPQCW-pumpedNd:YAG d10mmVT图1圆棒130 mJ皮秒激光系统3秒脉冲串,每个
15、脉冲串内包含6 个相同脉冲间隔和幅度的脉冲,单脉冲能量为16 mJ,对应峰值功率320MW。其激光器光学结构如图2 所示。Aperture300HzTFP20 mJVT0FRBBO口130 mJ75 mJ,532 nm300 Hz,64 ps300Hz一M3LDSESAMPR3PCQWP2PMMioIVR41QWP3MD1DEM12M13QWP,Nd:YVO4RR2M图2 圆棒9 6 W皮秒脉冲串激光系统PHWPMM川MBS4MsM,BSHOHWP,MD3AR,AR2MD2SAIT口P4QRiTSSA2MD4VBGstretcherM4MsBS2BS3BSiHWP2P2ISARiAR4ARsQ
16、R2OiV96W50psMD542016年,ADAMONISJ等30 使用空间可变相位延迟板(SVWP)将高斯种子光束整形成12 阶超高斯光束,并将其分为两路使用LD侧面泵浦圆棒Nd:YAG放大模块进行功率放大,两个通道均输出QWPSVWPCORHWPF0ENd:YAG5mmQWPINSHAPERLLLHR2020年,马宁等31使用体布拉格光栅将皮秒脉冲串内的脉冲展宽后注入到LD侧面泵浦的圆棒Nd:YAG再生放大器中进行放大,放大后使用非球面整形镜将高斯光束整形为均匀的平顶光束,防止过高峰值功率损坏增益介质。再通过两级LD侧面泵浦的圆棒Nd:YAG行波放大模块进一步放大,获得了重复频率1kHz
17、,脉冲宽度10 0 ps,平均功率80W的10 6 4nm皮秒激光脉冲串,脉冲串内包含有4根脉冲,平均单脉冲能量为2 0 mJ,对应的峰值功率为2 0 0 MW。利用半导体激光巴条沿圆棒侧面以多边形对称排布制造而成的高功率或大能量LD侧泵模块是目前圆棒放大器常用的方法,也是圆棒放大器易于实现高功率、大能量的优势。圆棒增益介质所产生的热是通过圆棒表面流动的冷却液进行冷却,如果要获得大功率激光输出则需要增加增益介质的尺寸(长度/直径),但增大增益介质直径会导致表面与内部的温度不均匀程度加剧,从而产生更加严重的热透镜、热致双折射等热效应,导致圆棒放大器要想获得高功率输出需要在放大系统中增加平顶光束整
18、形和4f像传递系统,否则因严重的热效应导致输出光的光束质量变差、放大效率下降,限制放大功率的提升。1.2板条放大器板条(slab)激光器问世于197 2 年32 ,其激光增光电技术应用最大单脉冲能量150 mJ,平均功率130 W的10 6 4nm基频光,如图3所示。随后注人LBO晶体中进行非线性频率转换,最终获得了重复频率1kHz,单脉冲能量150 mJ,脉宽8 5ps的532 nm倍频光。HRLFRHRHWPQWPNd:YAC7mmALHRHR0一FRHWPrwPQWP0P第38 卷HRROTNd:YAC 6.3mmFRLL000一FR0H0Nd:YAG Q7mmROTNd:YAG6.3
19、mm0EHR图3圆棒150 mJ皮秒激光系统益介质的形状为薄板结构,形状有矩形、平行四边形、梯形等,也可以根据具体的应用需要切割成其他形状来提高泵浦效率。板条厚度通常在毫米量级,长宽为十几毫米至几十毫米,激光激射在增益介质长度方向,而散热在增益介质厚度方向。图4所示为一种典型板条激光器结构。两个最大平面用于冷却,光束在两冷却平面间“之”字形传播Pump beamSlab crystalM1板条激光器其温度梯度分布可以简化为一维对称式分布,在一定程度上克服了圆棒增益介质中严重的热透镜效应,使光束质量有所提升。1998年,杜可明33 等发明了部分端面泵浦混合腔板条激光器(innoslablaser
20、),这种混合腔结构,在增益介质厚度方向上,采用可以使泵浦光与激光的基模体积匹配较好的稳腔结构,从而实现高效,高光束质量的光束输出;在增益介质的宽度方向上,采用具有很好选模作用的离轴共焦非稳腔,并使基模尺寸几乎充满整个晶体宽度方向,获得大的基模体积,从而实现接近衍射极限的高功率激光光束输出。同样,在板条放大器中常利用板条的宽度采用多通A0HHRL70SHG图4板条激光器结构示意图LHRHRHRCoolingwaterLaser outputM2HR第3期(如图5所示341)传播路径来提高放大器的效率。dichroic mirrorspumpradiationpump lineresonators
21、labmirrorcrystalpumpradiaion2019年,RUSSBUELDTP36等使用两级增益介质为Yb:YAG的板条放大器对重复频率50 0 kHz,脉冲宽度50 0 ps的种子光放大(见图7)。结合调脉冲放大技术,使用multi-pass cell(MP C)以非线性光谱展宽的方式将输人的59 0 fs激光脉冲的脉宽进一步缩短。最终获得了重复频率50 0 kHz,脉冲宽度30fs,单脉冲能量10 6 mJ的10 6 4nm激光脉冲,对相贺鹏等:高功率大能量窄脉宽全固态激光器研究进展(特邀)seedradiationresonator mirror图5板条多通放大器光路示意图F
22、undamental MOPA(3-stage Innoslabamplifier)M9TFP1885nmLD885.nmLD1 064 nmDump532 nm图6 三级Innoslab板条皮秒激光放大系统52015年,中科院理化所CHEN35等利用主振荡加板条功率放大(MOPA)结构,使用三级8 55nmLD双端泵浦的Innoslab放大器对皮秒种子光进行放大,每级放大器都采用尺寸为1.2 mm12mm25mm的Nd:YAG板条晶体。为了防止过高峰值功率损坏光学元件,在每级放大器前使用光束整形器(BS)获得合适的激光束尺寸,如图6 所示。最终获得了重复频率5kHz,单脉冲能量4.8 mJ,
23、脉冲output宽度2 5ps的10 6 4nm基频光,对应的峰值功率为192MW。M2Nd:YAG885nmLDBSM6Nd:YAG2/2885 nmM10M13TFP3V2/2885 nmDMLBOIAperture率1kHz,脉冲宽度7 2 0 ps,单脉冲能量18 9mJ的1064nm激光脉冲。实验装置如图8 所示。M3M4BSseedM1M5TFP2M8BSNd:YAGTFP42/21064nmBSTFP5LBO-SHG应峰值功率为35.3GW。2022年,刁伟鹏等37 采用主振荡功率放大(M0-PA)结构,将传导冷却端面泵浦板条激光放大器(CCE P S)与角度复用技术相结合,通过
24、双端泵浦单块Nd:YAG板条进行四程放大,获得了重复频885nmLDM11M12885nmLD6光电技术应用第38 卷Fiber MOPA stretched500 kHz 500 psSpatial filter320 m slit610W290psMpicker1.081.0Herriott cell:0-10 bar Argon44/58 passesTele-Compressorscope9xGTI 5 400 fs2图7 多级Innoslab放大与MPC压缩器飞秒激光系统M5F1M3M4isolatorFN/2FBSFRSeedHH7.2WM=1.06670W1-pass Innos
25、labMPp=900 W1.541.06Pulse-Atten-uatorNd:YAGF2LD7-pass InnoslabPp=900 W370WM1.251.07GratingModecompressormatching1.1 mJ590fsM1.201.151.10 x1.061.04-1.06 mJ26-30 fsM=1.18x1.171.091.05M7F4PF3/4M6TFPbcam expanderAtten-uationM2M1Diag-nostic图8 角度复用板条多程放大皮秒激光系统获得高功率激光输出的板条晶体有端面泵浦和侧面泵浦两种构型,侧面泵浦与圆棒类似,利用半导体激光
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