1kHz、216mJ，国内最高！双碟片再生放大技术研究获突破

高能量、高重复频率的超快激光器，一直是超快科学和激光应用领域追逐的“明珠”。在1 kHz重复频率下实现百毫焦级单脉冲能量输出，更是衡量一个国家激光技术实力的重要标尺。

近日，松山湖材料实验室阿秒科学中心联合中国科学院物理研究所、西安电子科技大学、南方科技大学等单位，在双碟片环形再生放大器研究中取得重要进展。研究团队采用969 nm零声子线准连续泵浦方案，结合自主研制的32通碟片激光头，在1 kHz重复频率下实现了最高单脉冲能量216 mJ的再生放大输出，平均功率达216 W，光-光转换效率高达29.3%，光束质量M²<1.21，1小时功率稳定性为0.89%，光谱宽度2.12 nm，支持脉宽为526 fs的变换极限脉冲。这是目前国内公开报道的1 kHz碟片再生放大器中单脉冲能量最高的结果，相关研究成果已发表于《中国激光》期刊上。

飞秒碟片激光器因其兼具高脉冲能量和高重复频率的独特优势，在阿秒科学、飞秒激光加工、激光引雷、光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）等领域具有不可替代的作用。碟片激光器采用厚度仅100~300 μm的超薄增益介质，表面积/体积比大幅提升，热量可沿一维径向快速传导，从原理上抑制了热透镜和热畸变，是实现kHz-MHz重复频率下高能量、高光束质量激光输出的理想技术路径。

自1994年德国科学家Giesen提出碟片激光器概念以来，这一技术持续突破。国际上，2015年德国Klingebiel等人采用单碟片线性再生腔，实现了220 mJ单脉冲能量、1.9 ps脉宽的激光输出，至今仍是碟片再生放大器的最高纪录。而国内研究虽起步较晚，但近年来进展显著。2024年，长春光机所陈毅等人基于双碟片环形再生腔，在1 kHz重复频率下获得145 mJ的单脉冲能量。此次松山湖材料实验室团队将这一指标提升至216 mJ，大幅缩小了与国际先进水平的差距。

本研究的核心创新在于热管理与泵浦效率的双重优化。

研究团队采用969 nm零声子线准连续泵浦方案。Yb:YAG晶体在969 nm处具有窄吸收峰和低量子亏损（约5.9%，而常规940 nm泵浦约为8.7%），从源头上显著减少了泵浦过程中的废热产生。同时，团队自主研制了32通泵浦结构的高功率碟片头（图1所示）：光纤耦合的泵浦光经碟片头内部抛物面镜等元件多次反射，在碟片晶体表面形成平顶匀化的泵浦光斑（直径4.8 mm），经过32冲程传输后，Yb:YAG晶体对969 nm泵浦光的吸收率超过98%，实现了泵浦能量的高效利用。单个碟片头泵浦源最大峰值功率2000 W，工作于准连续模式（重复频率1 kHz，占空比35%），最大平均功率700 W。

图1 运行状态下的碟片上呈现绿色的荧光

在再生放大器设计上，团队采用双碟片对称式环形腔结构（图2 所示），腔长17 m。其中引入后向反射镜组（RMP），可有效抵消两个碟片头之间因空气楔效应及热形变引发的横向偏移。通过BBO普克尔盒（半波电压9.1 kV）精确控制种子光注入、腔内循环放大及最终输出的时序管理。其中，光纤振荡器输出重复频率25 MHz、脉冲宽度1.6 ps、单脉冲能量约1 nJ 的种子光，经啁啾量750 ps/nm 的啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）时域展宽后，注入Yb:CALGO再生放大器进行放大，输出重复频率1 kHz、光谱宽度3.5 nm、脉冲宽度约为2.4 ns、最高单脉冲能量为3 mJ 的激光脉冲，作为碟片再生放大器的种子脉冲。

图2 双碟片环形再生放大器光路图

实验首先测试了准连续基模输出性能。如图3所示，当两个碟片头总泵浦平均功率从450 W逐步提升至900 W时，连续光输出功率最高达230 W，对应光-光转换效率25.4%，且输出曲线未见明显饱和，表明系统具有充足的储能潜力。

图3 Yb：YAG准连续模式运转输出性能

在再生放大模式下，采用1.2 mJ、1 kHz、1030 nm种子光注入（图4所示）。随着泵浦功率增加，光-光转换效率先升后降，在总泵浦功率680 W时达到峰值29.3%。效率下降的原因与Yb:YAG晶体的“泵浦漂白效应”有关——过高Yb³⁺浓度导致激发态离子反向吸收泵浦光，降低有效吸收率。

在总泵浦功率768 W（对应单个碟片晶体上平均泵浦功率密度2.12 kW/cm²，峰值泵浦功率密度6.06 kW/cm²）时，团队获得了平均输出功率216 W、单脉冲能量216 mJ的结果，光-光转换效率为28.1%。此时输出功率曲线已趋于平缓，表明系统基本饱和。

在最高输出功率下，激光中心波长为1030.1 nm，光谱宽度2.12 nm，理论变换极限脉宽为526 fs（sech²拟合）。Mx²和My²分别为1.06和1.21，光斑呈高斯型分布。1小时连续运行功率抖动均方根仅0.89%，平均功率稳定在215.4 W附近，展现出优异的稳定性。

图4 Yb：YAG脉冲模式运转输出性能。（a）输出功率及光光效率曲线；（b）最高输出功率下光谱；（c）最高输出功率下光束质量因子；（d）1h输出功率稳定性

本研究实现了国内1 kHz碟片再生放大器的最高单脉冲能量输出（216 mJ）和最高光-光转换效率（29.3%），标志着我国在高能量、高重复频率碟片激光技术领域迈入了国际先进行列。该成果为下一步开展千瓦级飞秒碟片激光再生放大器的设计和工程化探索奠定了坚实基础。