超快激光不再只是快 - AMPHOS公司超高平均功率超快激光系统
自上世纪60年代锁模技术问世以来，更窄更强的激光脉冲是人们不断追求的目标，各种优质的超快固体增益介质也被探索出来。掺钛蓝宝石（Ti:sapphire）锁模激光器及其啁啾脉冲放大技术在很时间内引领了飞秒超快激光的快速发展与繁荣。时至今日，若要实现超高峰值功率（比如PW激光器），钛宝石激光器仍是一枝独秀。
钛宝石晶体具有优良的热导性、高损伤阈值等特点，其荧光发射波长覆盖了600~1100nm的范围，所以可以获得<10fs的脉冲宽度，这也是其可支持超高峰值功率（峰值功率=单脉冲能量/脉冲宽度）的根本原因。
钛宝石因其独特优势到目前为止还没有其它增益介质可以完全将其替代，但它也有无法忽视的缺点，从能量转化的角度来看，实现激光运转需要经历十分复杂过程，如图1所示，以532nm泵浦的钛宝石激光为例，需要经历：
· 由电压/电流驱动闪光灯或半导体激光器，从而产生激发Nd:YAG晶体的泵浦光；
· Nd:YAG激光器输出1064nm激光；
· 1064nm激光脉冲倍频后产生的532nm绿光作为激发钛宝石晶体的泵浦光；
· 532nm绿光泵浦钛宝石晶体输出宽带的800nm的激光脉冲。
图1 钛宝石激光器能量转换图
钛宝石激光器经过复杂的能量亏损和产热过程，不仅转换效率低，而且无法实现高重复频率的输出，也就无法获得较高的平均功率，这大大地限制了钛宝石激光器在更广领域的应用，尤其是无法在工业场景中大显身手。
除了钛宝石，掺杂稀土元素镱（Ytterbium，符号Yb，原子序数70）的激光晶体也是飞秒激光器的典型增益介质，常见的有Yb:YAG、Yb:fiber、Yb:KGW、Yb:CaF2以及Yb:Glass等。以应用最为广泛的Yb:YAG为例，它在940nm处有吸收峰，恰好有成熟的半导体激光器与之对应，940nm半导体激光器直接泵浦Yb:YAG晶体就可以输出宽带的1μm激光，大大地简化了中间转化过程，如图2所示，其吸收波长和发射波长十分接近，斯托克斯损耗小于10%，转换效率非常高，堪称完美的选择！虽然掺Yb介质的增益带宽远远窄于钛宝石晶体，无法实现和钛宝石一样窄的激光脉冲，但百飞秒量级的脉冲宽度已经可以满足非常丰富的应用场景的需求。
图2 Yb:YAG激光器能量转换图
随着啁啾脉冲放大技术的成熟、掺Yb激光增益介质生长工艺和高功率半导体激光器的进步，近几年基于掺Yb介质的超快激光器取得了迅猛的发展，其主要有三种类型：光纤超快激光器、薄片超快激光器和板条超快激光器。
目前市场上已有成熟的低于一百瓦、几百飞秒的高重频光纤超快激光器在工业领域取得了广泛的应用。光纤激光器具有低阈值、高效率、结构紧凑等特点，但光纤的芯径仅为微米量级，单台光纤飞秒激光器只能实现百微焦量级的脉冲能量，这不能满足一些特殊应用场景对单脉冲能量和平均功率的双重要求，例如阿秒科学、太赫兹、非线性光学、极端材料加工等科研和工业应用，目前最先进的光纤相干合成技术也仅可以实现毫焦量级的单脉冲能量，而且系统复杂，尚未大规模成熟应用。
板条激光器和薄片激光器的激光介质的通光孔径不受限制，所以恰好可以突破脉冲能量的局限。下面将主要介绍端面泵浦的板条激光器（InnoSlab），我们会在下一篇文章中重点介绍基于薄片介质的超快激光器。
板条激光技术并不是一种新的技术，早在20世纪初科研人员就已经成功通过板条技术获得了100kW的连续激光输出。我们都熟知多模半导体激光器在XY两个方向上发散角区别很大，它的输出光束的横截面是长条形状的，InnoSlab本身也是条状，恰好适应了半导体激光器的这一特点，因此InnoSlab激光器无需对泵浦光进行特别复杂的整形，如图3所示，InnoSlab端面泵浦结构非常简单。
图3 InnoSlab的泵浦结构
在Innoslab晶体中，温度梯度发生在板条厚度方向上，泵浦光在厚度方向上被充分吸收，发热源与散热源的温度极为接近，可基本避免热透镜效应和热光畸变效应，大幅度提高了激光输出功率。
作为Innoslab超快激光器著名制造商之一的德国AMPHOS，成立于2010年，是夫琅和费技术研究院和德国亚琛工业大学孵化的公司，现拥有员工50余人，总部位于Herzogenrath科技园区，占地面积1200m2。2018年1月，AMPHOS公司被TRUMPF集团收购，成为其全资子公司。
AMPHOS主要致力于InnoSlab放大技术的超高功率超快激光器研发，服务于工业和科研市场！目前在世界上的各大主要市场都占有重要份额，包括德国、日本、韩国和美国，尤其在加速器领域表现极其优异，其独特的高重复频率和“Burst mode”技术独霸德国DESY和美国SLAC的需求，现最高可获得2万瓦的平均功率输出，其技术指标和实物图如图4所示。
图4 AMPHOS公司用于加速器领域的Burst Mode超快激光器
对于应用于工业领域的标准产品，AMPHOS的技术路线是将飞秒种子激光注入InnoSlab放大器中，结合啁啾脉冲放大技术，最高可输出1kW（20mJ@50kHz）的脉冲激光，他们设计的InnoSlab放大器的结构如图5所示：
图5 AMPHOS公司InnoSlab放大器的结构示意图
目前AMPHOS已拥有四个系列的标准产品，其主要参数如表1所示：
表1 AMPHOS公司标准产品参数表
波量科技作为AMPHOS公司在中国、新加坡和马来西亚地区的独家代理，多年来专注于超快激光的技术及服务，未来将携手国际最顶尖超快激光品牌和最先进的激光技术为工业和科研客户提供兼具高平均功率和高峰值功率的超快激光系统，结合波量科技丰富的自主研发能力，同时为客户提供超快激光产品及应用的全面解决方案，热烈欢迎广大客户垂询！
下期预告：下期文章将为大家介绍波量科技独家代理的薄片超快激光—Trumpf Scientific Lasers，敬请期待！
作者简介：
刘飞飞
毕业于长春理工大学光学专业-硕士，曾供职于长春新产业光电技术有限公司和北京凯普林光电科技股份有限公司，现为波量科技的区域销售经理，负责华北、西北和东北地区市场推广和销售业务。
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