超快碟片激光器的技術(shù)原理及科研方向
近年來(lái)二極管泵浦固體激光器(DPSS)隨應用行業(yè)的擴增與加工材料的發(fā)展，高功率、高能量成了研究方向之一。傳統二極管泵浦固體激光器采用棒狀或板條狀增益介質(zhì)，這個(gè)特征需要快速散熱以防止熱量導致光學(xué)畸變。而高功率意味著(zhù)更高的發(fā)熱量，這時(shí)候使用超薄碟片作為激光增益介質(zhì)是解決問(wèn)題的重要途徑，不僅能使用更大的泵浦光斑提高功率，也有利于產(chǎn)生高峰值功率超短脈沖。碟片激光器激光只通過(guò)很薄的材料，所以高峰值功率不會(huì )形成有害的非線(xiàn)性光學(xué)效應。
碟片激光器充分利用增益材料的幾何形狀高效散熱。碟片厚度一般在0.1毫米左右，橫向約幾個(gè)厘米，碟片激光裝置通過(guò)棱鏡和拋物面鏡等光學(xué)元件使泵浦光束在碟片上多次反射。因為激光和泵浦光斑直徑都遠大于碟片厚度，熱量很快就能流向背面的散熱片。盡量減薄碟片能夠有效減少激光工作時(shí)累積的熱量。由于光學(xué)、熱學(xué)和機械性質(zhì)俱佳，Yb:YAG是目前碟片激光器的標準增益材料。
碟片前表面鍍增透膜，后表面鍍高反膜，整體是一種有源反射鏡結構，能夠高效吸收泵浦光，提高光學(xué)效率。但是，由于碟片太薄，一次反射無(wú)法產(chǎn)生足夠的吸收，因此可以靠近碟片安裝一個(gè)拋物面反射鏡，通過(guò)泵浦光的多次反射增加吸收。碟片單次反射產(chǎn)生的激光增益只有10%左右。碟片激光器單位長(cháng)度的增益要遠高于光纖激光器，在光學(xué)共振腔中放入碟片就足以輸出高平均功率。
激光在碟片上多次反射，不用光學(xué)共振腔也能顯著(zhù)放大，這種情況可以使用先進(jìn)的多通放大器。碟片激光器是實(shí)現100瓦以上超快激光系統的主要商用技術(shù)之一，廣泛用于材料加工，比如制備微米級精度的特征結構。1皮秒左右超短脈沖可快速消融目標區域，避免熱量傳遞到周?chē)牧?，從而產(chǎn)生清晰的特征結構，因此在這類(lèi)加工中很有優(yōu)勢。
碟片激光可以加工的材料很多，特別是通過(guò)非線(xiàn)性頻率轉換產(chǎn)生紫外光時(shí)。這些激光器已廣泛用于藍寶石、顯示器玻璃、陶瓷、金屬箔類(lèi)和噴油嘴等高難材料的切割和鉆孔。商用超快碟片激光系統已經(jīng)有行業(yè)知名企業(yè)研究問(wèn)世。
除了工業(yè)應用，近年來(lái)科研應用也促進(jìn)了高脈沖能量、高平均功率激光系統的發(fā)展，使用近紅外泵浦光驅動(dòng)非線(xiàn)性效應得到二級光源。比如，通過(guò)非線(xiàn)性脈沖壓縮使峰值功率達到太瓦(TW)級甚至更高、通過(guò)高次諧波產(chǎn)生極紫外阿秒脈沖、通過(guò)光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)產(chǎn)生近紅外或中紅外極短脈沖，并在泵浦探測實(shí)驗用于研究飛秒或阿秒超快激光和物質(zhì)的相互作用。
這些科研應用都需要高能量脈沖。由于過(guò)去激光系統的平均功率往往有限，因此要使用較低的重復頻率。但隨著(zhù)現代工業(yè)激光技術(shù)的發(fā)展，情況已不復如此。通過(guò)高功率泵浦激光可以大大提高重復頻率，以此提高實(shí)驗靈敏度和速度，而且裝置大小適中，能在一般科研實(shí)驗室使用。另外，歐洲極端光基礎設施(ELI)等重要超強激光研究所都在致力于推進(jìn)高能量、高重頻光源的發(fā)展。
為了滿(mǎn)足超強激光的嚴苛要求，存在各種高功率激光技術(shù)，包括碟片、光纖和板條放大器。碟片再生放大器的主要優(yōu)勢是能夠在極高脈沖能量時(shí)提供衍射極限性能。比如，近年來(lái)超快碟片激光系統已達到千瓦平均功率和200 mJ脈沖能量，焦耳量級脈沖能量將是下一個(gè)突破目標。
很多高功率激光系統采用MOPA(主振蕩功率放大器)結構，將低功率振蕩器的展寬脈沖導入多級放大器，然后再次壓縮，這樣實(shí)施相對復雜。碟片技術(shù)執行則更簡(jiǎn)單：直接通過(guò)鎖模激光振蕩器產(chǎn)生亞皮秒高功率脈沖。
關(guān)于碟片振蕩器的鎖模，可以在共振腔中使用半導體可飽和吸收反射鏡(SESAM)。SESAM支持功率倍增，而且通過(guò)激光共振腔的優(yōu)化設計，能將熱透鏡效應對碟片的影響降至最小，從而以高平均功率穩定工作。而且還能穩定載波包絡(luò )偏移頻率，這對于阿秒泵浦探測實(shí)驗非常重要。自從2000年鎖模碟片振蕩器實(shí)驗成功以來(lái)，不斷在超短脈寬和高平均功率兩個(gè)方面取得突破。
超快碟片激光器近年來(lái)有三大技術(shù)挑戰：如何管理腔內強光學(xué)非線(xiàn)性效應？如何用有限的高功率增益材料獲得更短的脈沖？如何放大平均功率？空氣的光學(xué)非線(xiàn)性是鎖模碟片激光器面臨的老難題。強脈沖改變空氣折射率，足以影響超短脈沖的穩定形成。所以目前最高功率都是在近真空環(huán)境中取得的，這讓實(shí)驗裝置更為復雜。
這個(gè)問(wèn)題的解決方法之一是在激光共振腔中加入特殊設計的負非線(xiàn)性晶體，以此抵消腔內氣體的正非線(xiàn)性效應，從而使激光器能在環(huán)境氣壓下工作。
為了比SESAM鎖模Yb:YAG碟片激光器產(chǎn)生更短的脈沖，另一個(gè)研究方向是尋找新的增益材料。Yb:Lu2O3或Yb:CaGdAlO4等材料有望達到YAG的平均功率性能，而且由于發(fā)射截面更寬，因此支持更短的脈沖。但是，這些材料在高功率和短脈沖增益之間需有所折中。
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