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超快激光不只是快 - TRUMPF Scientific Lasers公司超高能量超快激光系统

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接上文----超快激光不再只是快 - AMPHOS公司超高平均功率超快激光系统


基于掺Yb介质的高重频超快激光器主要有三种类型:光纤超快激光器、板条超快激光器和薄片超快激光器,上期已经以德国AMPHOS公司产品为例,介绍了板条激光器的工作原理和典型特性。本文继续为大家介绍高功率、高能量薄片超快激光器。

薄片激光器,又称碟片或圆盘激光器,顾名思义,其主要特点是增益介质为薄片形状,其厚度一般在100μm-400μm之间,直径在毫米量级,薄片的正面镀有对泵浦激光(一般选择940nm或969nm半导体激光器)和被放大激光(一般为1030nm)的增透膜,背面镀有对泵浦光和增益激光波长的高反膜,并利用特殊工艺将薄片背面与散热热沉紧密粘接,水流可以通过背面的热沉对薄片高效地散热,薄片结构的示意图如图1所示。


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图1 薄片结构示意图


薄片结构的介质可以承受非常高的泵浦功率且晶体本身不会有太高的温升和热形变,同时因为薄片的厚度较薄,对泵浦光和激光的单程吸收都较小,激光可多次经过薄片获得巨大的增益放大,所以非常适合做放大器的增益介质结构。基于薄片增益介质结构的再生放大器可将超快种子激光的能量和平均功率放大几个数量级,同时还能保持优异的光束质量和转换效率,是目前为止最适合几百毫焦、千瓦级超快激光器的技术,并可成熟应用于工业领域。薄片放大器相较于板条结构、光纤放大器等有着绝对性的优势,输出激光可即是高功率又是高能量,并保持接近种子激光的光束质量。

在薄片激光器中,再生放大器也起着至关重要的作用,再生放大器本身就是一个能产生激光的振荡器,主要由光开关、增益介质、激励源及谐振腔构成,也称为再生腔。它的工作原理是从脉宽展宽后的超快种子激光的脉冲序列中选出一个脉冲,注入到再生腔中,在泵浦激光的抽运下,脉冲多次往返通过增益介质进行放大,当能量放大到所需值时,改变光开关加高压的时间,再将其从腔中导出,注入和导出通常是通过偏振片、法拉第旋光器和半波片完成的。图2是基于薄片结构的再生放大器的光路示意图。


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图2 基于薄片结构的再生放大器的光路示意图


薄片激光器益模块一般采用光纤耦合半导体激光器端面泵浦结构,泵浦光经光纤输出后经比较大的抛物面镜反射到薄片晶体上,结构简单,泵浦效率高,且目前940nm光纤耦合半导体激光器的发展已经非常成熟,可以提供足够高的泵浦能力。图3是泵浦激光和增益激光在薄片介质中的传输示意图

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图3 薄片激光器增益的光路示意图


工业用碟片激光器最早是由TRUMPF集团研发的,用于激光切割和激光焊接,单个薄片激光器可以获得超过1.2万瓦的输出功率,TRUMPF一直是薄片激光器的领航者。随着市场对激光峰值功率的要求日益增高,超快激光器的单脉冲能量需被提高,热沉积和非线性的管理成为巨大的挑战,现如今,将薄片结构和再生放大技术应用到超快激光器中,使得超快激光器有了新的突破。TRUMPF Scientific Lasers (TSL)成立于2012年,是TRUMPF集团的全资子公司,公司主要研发和制造高端科研用薄片超短脉冲激光器,并提供定制和联合创新服务。目前,TSL可提供<2ps、几百毫焦、千瓦量级的激光输出,且在非全能量注入压缩器情况下,最小可将脉宽压缩至<600fs,详细参数如表1 所示。


表1 TSL公司产品参数表

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相对于板条结构,薄片超快激光器的优势主要是可以实现高达几百毫焦的单脉冲能量,同时具有超高功率的特性,并保持接近种子激光的光束质量,这在某些应用领域有着不可替代的优势,如逆康普顿散射、大气成丝、OPCPA等。图4是TSL激光器典型参数的实际测量结果。


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图4 TSL激光器典型参数测量


波量科技作为TRUMPF Scientific Lasers公司在中国地区的独家代理商,多年来一直专注于超快激光的技术与服务,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,热烈欢迎广大客户来电垂询!


下期预告:高能量薄片超快激光器应用之激光引雷,敬请期待!


 

作者简介:

刘飞飞,硕士研究生,毕业于长春理工大学光学专业,波量科技区域销售经理,负责华北、西北和东北地区市场推广和销售业务。

电话:16601026255(微信同号)   

邮箱:f.liu@wavequanta.com