Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Advanced Optical Precision Manufacturing Technology of Guangdong Higher Education Institutes, Sino-German College of Intelligent Manufacturing, Shenzhen Technology University, Shenzhen, China
2 Han’s Laser Technology Industry Group Co., Ltd., Shenzhen, China
3 Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering, College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, China
4 Shenzhen Key Laboratory of Ultraintense Laser and Advanced Material Technology, College of Engineering Physics, Shenzhen Technology University, Shenzhen, China
We present an effective approach to realize a highly efficient, high-power and chirped pulse amplification-free ultrafast ytterbium-doped yttrium aluminum garnet thin-disk regenerative amplifier pumped by a zero-phonon line 969 nm laser diode. The amplifier delivers an output power exceeding 154 W at a pulse repetition rate of 1 MHz with custom-designed 48 pump passes. The exceptional thermal management on the thin disk through high-quality bonding, efficient heat dissipation and a fully locked spectrum collectively contributes to achieving a remarkable optical-to-optical efficiency of 61% and a near-diffraction-limit beam quality with an M2 factor of 1.06. To the best of our knowledge, this represents the highest conversion efficiency reported in ultrafast thin-disk regenerative amplifiers. Furthermore, the amplifier operates at room temperature and exhibits exceptional stability, with root mean square stability of less than 0.33%. This study significantly represents advances in the field of laser amplification systems, particularly in terms of efficiency and average power. This advantageous combination of high efficiency and diffraction limitation positions the thin-disk regenerative amplifier as a promising solution for a wide range of scientific and industrial applications.
high efficiency high power picosecond laser regenerative amplifier thin-disk laser High Power Laser Science and Engineering
2024, 12(2): 02000e14
1 深圳技术大学 中德智能制造学院 先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室，深圳 518118
2 深圳大学 物理与光电工程学院 深圳市激光工程重点实验室，深圳 518060
3 大族激光科技产业集团股份有限公司，深圳 518103
高功率激光器在工业应用领域的需求不断增长，提高光-光转化效率是降低其生产制造成本的关键途径。针对提高激光器光-光转化效率所面临的增益介质的热负荷问题，利用锁定波长的969 nm“零声子线”泵浦、自主研制的高性能Yb∶YAG薄片晶体和48冲程泵浦系统等，搭建了高效的连续Yb∶YAG薄片激光器系统，实现了最高输出功率373 W，光-光转化效率可达73.37%。其优异性能为后续开展千瓦级超快Yb∶YAG薄片激光器研究奠定了基础。
薄片激光器 多冲程泵浦 Yb∶YAG 高效率 Thin-disk laser Multi-pass pumping Yb∶YAG High efficiency
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，上海 201800
2 张江实验室，上海 201210
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
研究了薄片激光器中晶体与热沉的封装技术和核心技术，采用薄片晶体与金刚石热沉的光胶工艺，自主设计并研制了5 mm口径的YAG/Yb∶YAG复合薄片激光模块，分析了该薄片激光模块的多通泵浦系统，建立了晶体热效应数值仿真模型，实验测量了在2.2 kW/cm2泵浦功率密度、940 nm泵浦波长下薄片晶体的热焦距为445.6 mm；采用基于光胶工艺封装的薄片激光模块搭建连续激光器，在70 W泵浦功率下获得了18.75 W功率的基横模输出，斜率效率和光光转换效率分别为36.59%和26.79%。
激光器 薄片激光器 多通泵浦 热效应 连续激光器 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0514003
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
薄片激光器可以实现高峰值功率、高平均功率、高光束质量的激光输出，是高重复频率皮秒泵浦源的关键技术之一。基于Yb∶YAG单薄片激光模块设计并搭建了再生放大系统，连续泵浦下获得了平均功率为40.9 W、重复频率为1 kHz、脉冲宽度为3.4 ns的激光输出，水平方向上的光束质量因子（）和竖直方向上的光束质量因子（）分别为1.12和1.10。基于腔内光束指向主动控制技术，2 h输出的平均功率稳定性峰谷（PV）值和均方根（RMS）值分别为6.42%和0.56%。在600 μs脉冲泵浦情形下，光光效率达16.1%。在10 kHz重复频率下，获得了53.3 W的高平均功率的激光输出，和分别为1.07和1.06。
激光器 薄片激光器 再生放大器 脉冲泵浦 激光稳定性
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了明晰碟片多通放大器的腔体设计方法，本文对不同类型的碟片多通放大器做归纳与总结，共归纳出4f中继成像、谐振腔设计/光学傅立叶变换、近准直光束传输与其他共4种设计理念的多通放大器。介绍了每种放大器的设计方法并详尽列举了研究现状。通过对比4种类型的碟片多通放大器，发现不同种类的多通放大器各有优缺点。4f中继成像需要真空环境以避免焦点处的气体电离，因此机械装置与调试难度较大；谐振腔设计/光学傅立叶变换概念多通放大器的镜片处存在较小光斑，因此较适用于较低能量的多通放大器；近准直光束传输方法由于不需要真空环境，具备很大的发展潜力，但需要精准控制激光运转状态下的碟片面形，难度也较大。因此，从激光器设计角度来看，需要对碟片多通放大器继续进行优化设计，从而同时实现使用场景的多元化与输出能量的可持续拓展。
激光 碟片 多通放大器 腔体设计 激光放大器 laser thin-disk multi-pass amplifier cavity-design laser amplifier
1 中国科学院大连化学物理研究所化学激光重点实验室，辽宁 大连 116023
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001
基于自主研制的72通薄片泵浦模块进行了克尔透镜锁模薄片激光技术研究。首先，分析了薄片克尔透镜锁模原理。然后，基于ABCD矩阵和孤子锁模理论设计了谐振腔。最后，基于72通泵浦模块进行了克尔透镜锁模谐振腔飞秒脉冲实验研究，当泵浦功率为72 W时，获得了平均功率为11.78 W、脉冲宽度为243 fs、重复频率为81.45 MHz的飞秒脉冲输出；优化腔型后，在94 W泵浦时得到了22.33 W的输出功率，脉冲宽度为394 fs。
激光器 薄片激光器 多通泵浦 克尔透镜锁模 飞秒激光 中国激光
2023, 50(14): 1401006
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
基于Yb∶YAG单碟片模块设计并搭建了激光再生放大器，实现了重复频率为1 kHz、脉冲能量为107 mJ、脉冲宽度为1.2 ns的近衍射极限激光输出，x的光束质量因子（）和y方向的光束质量因子（）分别为1.07与1.05，光光转换效率为11%。激光中心波长为1031.7 nm，光谱宽度为2.04 nm，该光谱宽度支持将激光的脉宽压缩至735 fs。据我们所知，这是国内首次使用单碟片激光再生放大器实现重复频率为1 kHz、单脉冲能量为107 mJ的激光输出。
激光器 碟片 再生放大器 Yb∶YAG 啁啾脉冲
红外与激光工程
2023, 52(1): 20220283
1 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
高功率固体激光技术的发展史就是一部与“废热”的斗争史, 为抑制热效应对光束质量的不利影响, 先后出现了热容激光器、薄片激光器、板条激光器以及光纤激光器, 新的增益介质形态结合先进的散热技术将激光输出功率提升至百千瓦量级。固体激光增益介质的热学性能是限制激光功率进一步取得突破的重要瓶颈。因此, 寻找具备超高热导率的激光晶体材料意义重大。本文介绍了上述四种激光器的基本原理及其在高功率激光方面取得的研究进展, 从提高增益介质材料热导率的角度出发, 对目前已有的方法和研究成果进行了分析与总结, 对超热导激光晶体研究和高功率激光技术的发展进行了展望。
高功率激光 热效应 激光晶体 超高热导率 热容激光器 薄片激光器 板条激光器 光纤激光器 high-power laser thermal effect laser crystal ultra-high thermal conductivity heat capacity laser thin disk laser slab laser fiber laser 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1560
1 中山大学中法核工程与技术学院，广东 珠海 519000
2 中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川 绵阳 612000
3 中国工程物理研究院高能激光重点实验室，四川 绵阳 612000
对于直接液冷薄片激光器而言，实现功率的定标放大可以在保证泵浦光强恒定的情况下通过增大泵浦光斑的尺寸同时增加增益介质的尺寸或数量来实现。这种设计理念自提出以来就得到了学术界的青睐。本团队针对高功率直接液冷薄片激光器的实际工作条件，建立了单薄片双通道增益模块在对称情况下的模型，研究了微通道高度、薄片厚度、冷却液雷诺数等参数对激光器输出波前畸变的影响。结果表明：当其他条件一定时，随着微通道高度及薄片厚度的减小，激光器输出光束质量提高；随着冷却液雷诺数增大，激光器输出光束质量提高。经遗传算法优化后的设计参数产生的输出光束光程差均方根值为3.27 μm，峰谷值为6.11 μm，相较于经典文献设计参数下的均方根值和峰谷值分别降低了12.3%和15.6%。
激光器 直接液冷 薄片激光器 耦合模拟 波前畸变 遗传算法优化 中国激光
2022, 49(23): 2301005
