二、千瓦级碟片激光器正逐渐走向应用

　　OFweek光电新闻网讯——千瓦级连续盘片激光器广泛用于工业制造，尤其是在汽车工业方面，主要用于切割和焊接。掺镱盘片激光器的功率高，光束质量好，效率高，可靠性高，投入少，运行成本低。基模皮秒盘片激光器可用于高产量高精度的微加工处理。继2008年西方光电子展推出的世界第一款工业级50W皮秒激光器之后，第二代的输出平均功率加倍，并且封装体积更小。锁模盘片激光器的平均输出功率远高于其他激光器，在实验室条件下明显超过100W。由于稳定谐振腔的腔长较长，它产生的数毫焦耳的脉冲能量可以比拟典型的超快放大器。此外，多激光光束的盘片激光技术已引起广泛关注，这项技术的目标是产生超过千兆瓦的超高峰值功率。

　　几十年来，工业需求驱动着商业激光器市场的发展。为了解决温度造成的各种问题而制造出脉冲激光器。近年来，超快激光器用于制冷和精加工，其峰值功率高，成本低，对材料的热影响小。而且，皮秒系统比纳秒系统更简单稳定，为了产生高峰值功率，需要合理的增大光束直径以避免非线性效应。

　　1、Yb：YAG盘片激光器

　　Adolf Giesen小组最先研究了盘片激光器，其厚度不足1mm，而泵浦光斑大小要高一到两个数量级，这使得表面可以有效冷却，功率传输范围大，平均功率和峰值功率都很高。这种激光器具有以下特性：表面积对体积比很大，热透镜效应低；只需用一般的二极管作泵浦源，成本低；保持光强密度，增加泵浦光斑直径可以提高平均功率和峰值功率；非线性效应可以忽略不计；适合进行频率转换；对背向反射光不敏感。

　　目前，二极管端泵掺镱YAG盘片激光器和钕掺杂材料盘片激光器都已成功研制，由于镱离子量子缺陷小，它所达到的功率是目前最高的。温度对Yb：YAG盘片激光器的平均功率有影响，若采用969nm的光做泵浦光就可以显著降低热负载。

　　此外，在1030nm处的主增益峰值处有9nm的带宽，可以满足金属加工所需的亚皮秒工作持续时间的要求。Yb：YAG盘片激光技术为工业超快盘片激光器提供了良好的基础。

　　在过去几年的研究中发现，所有的掺镱材料中，只有Yb：LuAG的制造过程与Yb：YAG相似，但其他材料在平均功率，光学效率和脉冲持续上也有很好的实验结果，尤其是Yb：Lu2O3有望成为未来超快盘片激光器的增益介质。

　　2、超快盘片振荡器

　　第一台锁模盘片振荡器是由瑞士联邦技术协会的Ursula Keller小组和斯图加特大学的Adolf Giesen共同制作的，可以获得4～16W的平均功率，之后的实验成功提升了平均功率、脉冲能量和强度，减小了脉冲持续时间，一部分材料获得了更宽的带宽。减小脉冲重复速率可以提高脉冲能量，但容易产生非线性效应和自相位调制。可以通过抽空谐振腔或充入低非线性效应气体来解决问题。

　　盘片振荡器用AMC减小重复速率实现了更高峰值功率的突破。图4是角度复用AMC盘片振荡器原理图，它对盘片表面质量要求很高，Gires-Tournois镜用来补偿自相位调制，SESAM实现锁模，四分之一玻片和薄膜偏振器用于输出耦合，红蓝两线处的光路构成TEM00模谐振腔。AMC盘片振荡器可以使输出耦合超过70%，让腔内大部分能量得到利用。

　　当输出耦合为70%，并且不经过放大，可以达到40μJ以上的能量。在3.51MHz重复速率，42.7m的谐振腔中平均功率为145W。图5左边是41.3μJ脉冲二次谐波自相关图，图形为双曲正割型，脉冲持续时间为1.12ps；右边是线性和对数坐标下的sech2型光谱，Kelly边带抑制超过20dB。传输限制为7%的理想sech2型脉冲的时间带宽积为0.336，峰值功率高达36.8MW，可用于微加工。

　　图6左边为光谱宽度和脉冲持续时间对输出功率的函数图。连续锁模功率为75W，倍频时，通过控制非饱和转换效率抑制双脉冲。右边是锁模振荡器脉冲能量的逐年变化情况。