3分钟了解掺镱超短脉冲激光放大器

引 言

超短脉冲激光一般是指脉冲宽度在皮秒（10^-12 s）和飞秒（10^-15 s）量级上的脉冲激光光源，具有极窄脉冲、极宽光谱、极高峰值功率等特点。目前，超短脉冲激光的研究已经有40余年的历史，在物理学、化学、材料、生物医学、通信工程等领域中都获得了广泛的应用。进入21世纪以来，已有三次诺贝尔奖颁发给从事超快激光相关研究的科学家。

近些年来，随着德国“工业4.0”和“中国制造2025”等计划的实施，超短脉冲激光光源的输出功率不断提升、脉冲控制方式可实现任意操控，从而使得超短脉冲激光大大促进了工业超精密加工（例如：脆性材料切割、超硬材料加工、太阳能电池加工、任意锥度异形孔加工、大深径比微孔加工、材料表面微结构加工、异种材料焊接等）和前沿科学研究（高次谐波产生、阿秒光源生成、极紫外光学频率梳、基于二次光源的衍射成像、超精密测距等）的快速发展，这不仅有助于前沿物理科学的发展，同时也带动了制造业的飞速发展。

掺镱增益介质的突出优势

钛宝石激光器是最为典型的超短脉冲激光器，自从20世纪90年代发明以来，就一直是超快激光领域的中流砥柱。然而，由于钛宝石晶体热效应严重、需要价格昂贵的绿光激光作为泵浦源、泵浦量子效率较低，因此重复频率和平均功率相对受限。近些年来，随着掺镱（Yb）激光增益介质技术的成熟，出现了基于各种形式掺镱材料的超短脉冲激光器，例如：掺镱光纤激光器、掺镱单晶光纤激光器、掺镱板条激光器、掺镱薄片激光器等。相比于钛宝石晶体，掺镱增益介质具有以下方面的突出优势：

1）可用波长位于940~980 nm的高功率激光二极管（LD）直接泵浦，无需绿光激光泵浦，可大幅降低成本和操作难度；

2）掺镱激光发射波长和泵浦波长差值较小，泵浦量子效率高，有利于高功率运转；

3）发射光谱带宽虽然比钛宝石晶体的发射带宽窄，但足以支持0.1~1 ps量级的脉冲宽度。

使用光纤、板条、薄片结构，目前均可实现平均功率超过1 kW的超短脉冲激光输出。然而，对于光纤放大器，由于光纤本身的掺杂芯径有限，因而在不引入明显非线性效应的前提下，激光输出脉冲能量受限；对于板条放大器，由于自身结构制约，通常输出光束具有明显的像散效应；对于薄片放大器，由于光斑直径可以很大，所以允许获得较大的脉冲能量，但是薄片激光结构异常复杂，成熟技术仍然只掌握在少数国外企业手中。单晶光纤（SCF）也称为纤维晶体或者晶体纤维，是将晶体材料生长成为纤维状的晶体，典型形态为直径在0.1~1 mm之间、长度在40 mm左右的细长棒状增益介质。由于晶体光纤能够结合光纤的波导结构和传统棒状激光器两者的优点，因此近年来得到广泛的关注。

基于掺镱块材料的超短脉冲行波放大器

掺镱块状材料和单晶光纤在本质上并没有太大的区别，其主要区别在于增益介质本身是否对泵浦光存在导引机制，而信号光在两种结构下均为空间自由传播。需要指出的是，虽然严格意义上的单晶光纤指的是对泵浦光和信号光均有波导作用的光纤，但是近些年比较流行的“单晶光纤放大器”所采用的“单晶光纤”却只对泵浦光具有一定的波导作用，而信号光在其中自由传播，其典型尺寸为Φ1 mm×40 mm。

此外，就泵浦导引作用而言，单晶光纤对泵浦光真正起到的导引程度还受到多种因素的影响，包括泵浦光的光斑大小、光束质量，单晶光纤的长度和直径等。因此，如果增益介质对泵浦光完全没有导引作用，则从“单晶光纤”放大器过渡到了“传统棒状块材料”放大器，泵浦光和信号光在其中都没有波导作用，全部为自由空间传输。

在从“单晶光纤”放大器到“传统棒状块材料”放大器的转变过程中，立陶宛的研究人员走在了前列。早在2017年，立陶宛物理科学与技术中心激光技术部固体激光实验室的Rodin等，使用尺寸为Φ1 mm×40 mm、掺杂浓度为1%的Yb:YAG单晶光纤和尺寸为2 mm×2 mm×20 mm、掺杂浓度为2%的Yb:YAG棒对中心波长为1030 nm、平均功率为550 mW、重复频率为500 kHz的啁啾超快种子光源进行放大，在相同泵浦条件（波长为940 nm、泵浦功率为120 W）下通过双通放大结构获得了平均功率分别为29 W和39.5 W激光输出，其实验装置图如图1所示。尽管泵浦光通过波导作用可以限制在单晶光纤当中，但是相较于传统的Yb:YAG棒，其结果并没有表现出明显的优势。

图1 双通Yb:YAG啁啾脉冲放大装置图

2016年，来自德国电子加速器Kartner小组的Zapata等结合低温冷却技术和四通放大技术，利用尺寸为5 mm×15 mm×23 mm、掺杂1%的两块Yb:YAG晶体，并采用液氮将其冷却至77 K，在泵浦光功率为515 W的条件下，将重复频率为100 kHz、功率为4 W的种子激光放大到250 W，提取效率高达50%，对应单脉冲能量为2.5 mJ、脉冲宽度为20 ps，其实验装置如图2所示。该放大器可以作为近红外和中红外光参量啁啾脉冲放大器的理想泵浦源，但是遗憾的是，由于低温冷却下Yb:YAG晶体的增益带宽变窄会限制最终获得的脉冲宽度。

图2 基于低温Yb:YAG块状材料的四通放大装置

幸运的是，另外一种掺镱晶体Yb:YLF在低温冷却下具有较宽的增益带宽，沿着晶体a轴可达10 nm，因此在他们2019年报道的最新工作中，便采用了Yb:YLF晶体。Cankaya等基于低温冷却技术和两级完全相同的四通放大技术，在每一级中使用尺寸为10 mm×15 mm×20 mm、掺杂0.5%的两块Yb:YLF晶体并将它们冷却至液氮温度77K，最终获得了脉冲重复频率为10 Hz、脉冲能量高达190 mJ、脉冲宽度为1.35 ps的超短脉冲激光输出。这一脉冲宽度相比于使用低温Yb:YAG晶体获得的脉冲宽度缩短了10倍以上。同时他们还指出，可通过进一步改善种子激光的光谱宽度来匹配Yb:YLF晶体的增益带宽，进而获得更短脉冲宽度，比如400 fs左右。为了便于对比，将上述部分结果进行梳理，如表1所示，BC表示压缩前，CW表示连续波。

表1 基于Yb块材料行波放大器结果汇总

2020年，中国科学院西安光机所的王娜娜等人采用常规的石英光纤、Yb:YAG棒状晶体以及两级Yb:YAG单晶光纤混合放大器系统，如图3所示，实现了平均功率为92 W的脉冲激光输出，压缩后的脉冲宽度为2.5 ps，平均功率为67.8 W。同年，该课题组的李峰等人，采用高功率光纤放大器结合Yb:YAG单晶光纤放大器获得了平均功率为122 W，重复频率为1 MHz的脉冲激光输出，压缩后的平均功率为92 W，脉冲宽度为660 fs。

图3 Yb:YAG晶体混合放大器系统实验装置图

2022年，北京工业大学的徐岩等人，在其研究工作中设计了一种“石英光纤-单晶光纤-晶体细棒”的Yb:YAG混合放大器系统。其中，光纤前端的输出功率为6.5 W，在第一级Yb:YAG单晶光纤放大器的反向泵浦功率为182 W时，获得了40 W的放大信号光输出。第二级细棒Yb:YAG晶体放大器在泵浦功率为307 W 时，获得了平均功率为107.3 W的脉冲激光输出，对应脉冲宽度为12.1 ps，重复频率为52.9 MHz。

2022年，山东大学的王上等人首次提出了双波长（940 nm和 969 nm）合束高亮度泵浦Yb:YAG棒状晶体的方案，其装置图如图4所示。采用三级Yb:YAG 棒状晶体放大，第一级为双通放大结构，第二级为单通放大结构，第三级采用双波长合束泵浦，输入合束泵浦光272 W，获得重复频率为1 MHz，平均功率为240 W（压缩前），压缩后脉冲持续时间744 fs的激光输出（部分压缩），对应功率提取效率达51%，这是目前已知同类型基于Yb:YAG棒状晶体放大器中的最高功率提取效率。

图4 双波长合束泵浦Yb:YAG棒状晶体放大器实验装置图

2023年，东莞理工学院的王春华等人采用三级Yb:YAG棒状晶体放大器，其中，第一级Yb:YAG放大器的晶体直径2 mm，第二级和第三级Yb:YAG放大器的晶体直径均为3 mm，将重复频率为1 MHz，平均功率为35 W的种子光放大到了450 W（压缩前），对应最佳功率提取效率为43%。这是目前已知报道的同类型Yb:YAG棒状晶体超短脉冲激光放大器中的最高平均功率，并在采用高功率泵浦进行多级放大的同时，能够保持良好的光束质量，最终输出光束质量分别为M_x²=1.19和 M_y²=1.17，系统装置图如图5所示。

图5 三级Yb:YAG棒状晶体啁啾脉冲放大装置图

2024年，来自立陶宛的ANDREJUS MICHAILOVAS等人，开发了一种基于光纤种子的低重频Yb:YAG晶体混合放大器系统，如图6所示。采用两级双通放大结构，获得平均功率达91 W，重复频率10 kHz，单脉冲能量9.1 mJ，光束质量因子M²小于1.1，压缩后脉冲持续时间1 ps的激光输出。这是目前端泵棒状Yb:YAG晶体放大器最高能量输出，同时采用空间可变波片进行偏振补偿，将系统偏振损耗降低了2.4倍。

图6 三级Yb:YAG棒状晶体啁啾脉冲放大装置图

基于掺镱块材料的超短脉冲再生放大器

为了进一步提升放大器的输出功率和能量提取效率，可以使用结构相对复杂的再生放大器。在再生放大器中，通过使用偏振控制技术，种子光被限制在谐振腔内多次通过增益介质抽取其中的增益，根据谐振腔长度、电光开关门选通时间等，可以对信号光在腔内的往返次数进行控制，典型数值可在几十到上百不等。最终，在适当的时刻，再次控制电光开关，将放大之后的激光输出到腔外，典型增益可达30 dB~60 dB之间。

然而，正如前面提到的，在再生放大器中必须对脉冲进行时序控制、模式控制，并且还涉及到电光晶体上高压的使用，因此结构复杂、技术要求相对较高；而且受限于电光开光的重复频率，再生放大器的最高工作频率（1 MHz量级）一般低于行波放大器的最高重复频率。

2008年，日本大阪大学的Sueda等，采用尺寸为1 mm×1 mm×42 mm，掺杂原子数分数为0.7%的块状键合Yb:YAG陶瓷棒作为增益介质，对重复频率为100 MHz、功率为10 mW、脉冲宽度为3.3 ps的种子光进行啁啾再生放大，最终获得了平均功率为10 W、重复频率为100 kHz、脉冲宽度为6.2 ps的激光输出。2013年，日本福井大学的Matsubara等报道了一个基于布儒斯特角切割的棒状Yb:YAG晶体的超快再生放大器，实验装置如图7所示。其晶体厚度小于1 mm，长度为52 mm，掺杂原子数分数为0.5%。种子光采用的是钛宝石锁模激光器，其脉冲宽度为150 fs，平均功率为400 mW，重复频率为84 MHz。最终种子光在再生放大器腔中经过40次往返放大，当吸收泵浦光功率为170 W时，获得了平均功率为20 W、单脉冲能量为200 μJ的脉冲激光输出。

图7 基于Yb:YAG棒状晶体的再生放大装置

在Yb:YAG之外，Yb:KYW和Yb:KGW是另外两种常用的性能较为相近的掺镱增益介质，与Yb:YAG相比，可以提供较短的脉冲宽度。相比于以上三种Yb掺杂的晶体，Yb:CaF₂晶体具有更平滑宽广的发射带宽和较好的热导率，是一种极具潜力的超短脉冲激光晶体。Yb:YLF晶体是另外一种在低温下具有良好性能的Yb掺杂晶体，可用于获得高脉冲能量的超短脉冲激光输出。

此外，针对其他晶体（Yb:CALGO、Yb:CALYO、Yb:Lu₂O₃）的再生放大器的研究也有报道，并且由于这些晶体的特性更适合高平均功率超短脉冲激光放大，因此具有广泛的工业应用前景。经过近几年的快速发展，国内来自西安电子科技大学、中国科学院上海光机所、四川大学等单位的研究人员已经取得了长足的进步。使用Yb:CALGO再生放大器已经可以输出平均功率超过60 W、最高脉冲能量超过10 mJ的高质量飞秒激光。如图8所示，为中科院上海光机所彭宇杰等人所使用的实验装置示意图，使用双Yb:CALGO晶体，在1 kHz重频下，可实现11.3 mJ输出，脉冲宽度小于200 fs。

图8 上海光机所彭宇杰等人所使用的双Yb:CALGO再生放大器装置图

除了以上相对比较常见的晶体以外，科研人员也在不断探索将更多的掺镱晶体材料用于超快再生放大器的研究。比如，来自白俄罗斯国立技术大学的Rudenkov等在2015~2019年间，分别将Yb:YVO₄、Yb:CaYAlO₄、Yb:LuAlO₃、Yb:YAB等几种晶体用于再生放大器的研究，其典型装置如图9所示。

图9 再生放大装置

掺镱增益介质的高亮度激光泵浦技术展望

绝大部分使用掺镱增益介质的超短脉冲激光放大器，其泵浦结构均为端面泵浦；对于典型的Yb:YAG介质，常用的泵浦源为光纤耦合输出的LD，主要泵浦波长为940 nm和969 nm。其中在940 nm附近Yb:YAG具有较宽的吸收带宽，因此LD无需进行波长锁定；而在969 nm附近，由于吸收带宽较窄，通常需要使用体光栅来对LD的波长进行锁定。另外一个重要的影响因素是LD的亮度，目前常规的商用940 nm和969 nm的LD（输出功率标称150 W），耦合输出光纤的芯径为105 μm、数值孔径为0.22，对应光束质量因子M²约为40，远远大于衍射极限光束质量，因此对于较长的晶体而言，在有限的瑞利长度之内无法保证泵浦光和信号光在较长范围内完美重合。

为了获得更好的泵浦信号重合，提高锁模振荡器输出功率和超短脉冲放大器的输出功率和效率。高亮度976 nm激光泵浦源首先进入了人们的视野。2013年，Machinet等使用波长为977 nm的光纤激光器泵浦Yb:CaF₂晶体，基于克尔透镜锁模技术，获得了输出功率高达2.3 W、重复频率为73 MHz、脉冲宽度为68 fs的超短脉冲激光输出。自此之后，使用高亮度光纤激光泵浦掺镱晶体的锁模激光振荡器，便成为了振荡器直接输出高功率锁模激光的一种有效途径。

而高功率976 nm激光光源的制备也成为了一个新的研究方向，输出功率不断提升，尤其是最近来自美国克莱门森大学的Li等在2019年报道了基于光子禁带光纤的978 nm光纤激光器，实现了近衍射极限输出功率高达151 W的高亮度激光，是目前在978 nm波段输出的最高激光功率。这无疑为高亮度激光泵浦掺镱晶体超短脉冲激光带来了新的技术增长空间。

实际上，在2015年，来自法国的Sevillano等就曾使用输出功率为40 W的976 nm单模光纤激光器泵浦长度为29 mm、掺杂原子数分数为4.5%的Yb:CaF₂晶体单通放大器，对功率为2.9 W、重复频率为96 MHz、脉冲宽度为70 fs的种子光源进行放大，最终实现了16.5 W的输出功率，增益达到5.7倍，且输出脉冲的光谱带宽几乎没有任何损失，光光转换效率高达34%。

而对于Yb:YAG晶体，由于其典型泵浦波长为940 nm和969 nm，所以在很长一段时间内并没有出现比较合适的高功率激光泵浦源，因此相关方面的工作并没有报道。

甚高功率泵浦Yb:YAG棒状介质的启示

众所周知，Nd:YAG晶体是最为常用的用于产生1 μm激光的增益介质，晶体性能非常优异。一方面，端面泵浦能够注入很高的泵浦功率；另一方面，侧面泵浦也是最为常见的泵浦结构，可在有限的棒状晶体长度内从晶体侧面注入极高的泵浦功率，从而可以提供非常高的增益。但是，反观Yb:YAG晶体，极高端面泵浦功率的情况并不常见、侧面泵浦结构也少有问津。

实际上，在20世纪末和21世纪初，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、美国波音激光和电光系统公司、美国休斯研究实验室，都对高功率端面泵浦、侧面泵浦Yb:YAG晶体的激光器进行了不少的研究工作，并且取得了很好的结果。1998年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Bibeau等使用LD叠阵、透镜导管匀化等技术，对尺寸为Φ12 mm×（5+50+5）mm、2%掺杂的键合Yb:YAG晶体进行泵浦，获得了连续输出达434 W的激光功率。

2000年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Honea等和美国波音激光和电光系统公司的Avizonis等联合报道了端面泵浦尺寸为Φ12 mm×50 mm键合Yb:YAG晶体的谐振腔，在总泵浦功率为3930 W的条件下，获得了高达1080 W的输出功率。这两项结果均表明，即使是在室温条件下，Yb:YAG晶体也同样具备甚高功率泵浦的潜力。

图10 侧面泵浦Yb:YAG模块内部结构

2005年，美国休斯研究实验室的Bruesselbach等使用两端键合了直径6 mm无掺杂YAG晶体、尺寸为Φ4 mm×80 mm的Yb:YAG晶体，封装了侧面泵浦模块（如图10所示），在侧面泵浦功率为9000 W的条件下，获得了最高2.65 kW的输出功率；当泵浦功率为6000 W时，获得了光束质量M²因子为2.1的860 W激光输出。

可以看到，虽然这些结果均是在连续运转或者调Q运转下获得的，但是如果将这样的方案用于超短脉冲激光的放大，是否能得到让人耳目一新的结果呢？比如，用于产生千瓦量级的超短脉冲激光。我们也可以想象，这其中的主要困难仍然是来自于对晶体热效应的管理以及晶体热效应对输出激光光束质量的影响。

结束语

掺镱增益介质是产生超短脉冲激光的重要途径，其中尤以Yb:YAG最为突出和成熟。除了光纤、单晶光纤、板条、薄片等常用形式外，基于掺镱块状材料的超短脉冲激光放大器具有造价低、易调节等突出优势，可用于百瓦级甚至千瓦级超短脉冲激光放大。可以看出，高亮度激光泵浦技术、甚高功率端面泵浦和侧面泵浦技术在实现更高功率超短脉冲激光方面具有很大的应用潜力，有望成为另外一种实现千瓦超短脉冲激光输出的更为经济的技术手段。