超快碟片激光器的技術(shù)原理及科研方向
近年來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(tǒng)二極管泵浦固體激光器采用棒狀或板條狀增益介質(zhì)，這個特征需要快速散熱以防止熱量導致光學畸變。而高功率意味著更高的發(fā)熱量，這時候使用超薄碟片作為激光增益介質(zhì)是解決問題的重要途徑，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很薄的材料，所以高峰值功率不會形成有害的非線性光學效應。
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，橫向約幾個厘米，碟片激光裝置通過棱鏡和拋物面鏡等光學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累積的熱量。由于光學、熱學和機械性質(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(jié)構(gòu)，能夠高效吸收泵浦光，提高光學效率。但是，由于碟片太薄，一次反射無法產(chǎn)生足夠的吸收，因此可以靠近碟片安裝一個拋物面反射鏡，通過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。碟片激光器單位長度的增益要遠高于光纖激光器，在光學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，不用光學共振腔也能顯著放大，這種情況可以使用先進的多通放大器。碟片激光器是實現(xiàn)100瓦以上超快激光系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。1皮秒左右超短脈沖可快速消融目標區(qū)域，避免熱量傳遞到周圍材料，從而產(chǎn)生清晰的特征結(jié)構(gòu)，因此在這類加工中很有優(yōu)勢。
碟片激光可以加工的材料很多，特別是通過非線性頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生紫外光時。這些激光器已廣泛用于藍寶石、顯示器玻璃、陶瓷、金屬箔類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(tǒng)已經(jīng)有行業(yè)知名企業(yè)研究問世。
除了工業(yè)應用，近年來科研應用也促進了高脈沖能量、高平均功率激光系統(tǒng)的發(fā)展，使用近紅外泵浦光驅(qū)動非線性效應得到二級光源。比如，通過非線性脈沖壓縮使峰值功率達到太瓦(TW)級甚至更高、通過高次諧波產(chǎn)生極紫外阿秒脈沖、通過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。由于過去激光系統(tǒng)的平均功率往往有限，因此要使用較低的重復頻率。但隨著現(xiàn)代工業(yè)激光技術(shù)的發(fā)展，情況已不復如此。通過高功率泵浦激光可以大大提高重復頻率，以此提高實驗靈敏度和速度，而且裝置大小適中，能在一般科研實驗室使用。另外，歐洲極端光基礎(chǔ)設(shè)施(ELI)等重要超強激光研究所都在致力于推進高能量、高重頻光源的發(fā)展。
為了滿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提供衍射極限性能。比如，近年來超快碟片激光系統(tǒng)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突破目標。
很多高功率激光系統(tǒng)采用MOPA(主振蕩功率放大器)結(jié)構(gòu)，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，這樣實施相對復雜。碟片技術(shù)執(zhí)行則更簡單：直接通過鎖模激光振蕩器產(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，而且通過激光共振腔的優(yōu)化設(shè)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(wěn)定工作。而且還能穩(wěn)定載波包絡(luò)偏移頻率，這對于阿秒泵浦探測實驗非常重要。自從2000年鎖模碟片振蕩器實驗成功以來，不斷在超短脈寬和高平均功率兩個方面取得突破。
超快碟片激光器近年來有三大技術(shù)挑戰(zhàn)：如何管理腔內(nèi)強光學非線性效應？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？空氣的光學非線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(wěn)定形成。所以目前最高功率都是在近真空環(huán)境中取得的，這讓實驗裝置更為復雜。
這個問題的解決方法之一是在激光共振腔中加入特殊設(shè)計的負非線性晶體，以此抵消腔內(nèi)氣體的正非線性效應，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Y(jié)AG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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