高功率激光系统（1）

长三角G60激光联盟导读

据悉，本文综述了利用功能光纤实现高能固态圆盘和平板系统以及高功率光纤系统的非线性抑制策略。本文为第一部分。

摘要

高功率激光源广泛应用于工业精密加工，并作为一个新的平台，利用超过PB的峰值功率进行强场物理研究。本文综述了利用功能光纤实现高能固态圆盘和平板系统以及高功率光纤系统的非线性抑制策略。首先，回顾了将峰值功率从千兆瓦提高到千兆瓦的固态激光器的实现和使能技术。然后分析了各种光纤放大器中劣化效应（包括受激拉曼散射、受激布里渊散射和横模不稳定性）的机理和抑制策略。同时介绍了目前功能纤维的作用机理和研究成果。最后，总结了高功率固态和光纤放大器面临的挑战和前景。

1介绍

高功率激光器广泛应用于基础和应用科学研究、国家安全、医疗、工业加工等领域。兆瓦级激光器的峰值功率主要用于材料加工，包括表面结构化和玻璃切割。千兆瓦级激光器的峰值功率通过高次谐波产生隔离的阿秒极紫外脉冲。它是阿秒物理中分析超快电子现象的关键技术。太瓦级激光器的峰值功率应用于长丝大气研究、粒子加速、X射线激光器、逆康普顿散射等。太瓦级激光的峰值功率通常用于高能量密度等离子体物理、材料和实验室天体物理、、激光等离子体尾场加速、量子电动力学和核光子学。

Maiman发明的第一台激光器是由闪光灯泵浦的红宝石棒激光器。高质量泵浦源的开发实现了更先进的激光配置设计。将棒状晶体压成薄片（图1a）或圆盘（图1b），并将其拉入光纤（图1c），可显著提高激光器的散热性能。

图1高功率激光器及相关技术示意图。

一方面，光纤具有最显著的散热面积，据报道连续波（CW）输出功率为500 kW。然而，增益介质的光纤形式减少了能量存储体积，从而限制了激光器的输出。目前，光纤的掺杂芯直径通常小于100µm，这使得大脉冲能量输出不切实际，并且通过啁啾脉冲放大（CPA）将峰值功率限制在几GW。

在亚毫米厚度的情况下，磁盘的储能容量比光纤大，散热面积比平板高，从而可以产生千瓦级的无CPA平均功率、兆焦耳级的皮秒脉冲输出能量和超过千兆瓦的峰值功率。为了产生TW级峰值功率输出，再生前置放大器降低了重复频率，随后是多程主放大器。这种混合圆盘放大结构如图1e所示。多程盘放大器的主要研究课题之一是将焦点从晶体和传输路径上移开。图1i中的当前方法是实现准直传输。为了进一步提高PW级的峰值功率，使用高能（100 J级）脉冲激光作为CPA或光学参数啁啾脉冲放大（OPCPA）激光系统的泵浦。

除了基本配置的散热优势外，还需要辅助散热方法，如脉冲二极管激光（PDL）泵浦、零声子线（ZPL）泵浦、温冷却、或气体冷却。此外，必须通过消除边缘振荡条件来减少大孔径晶体的放大自发辐射（ASE）。图1h描述了用于抑制边缘振荡的常用边缘处理方法。然而，即使使用最先进的热管理，也很难完全消除高强度放大过程中的波前失真。通过使用相位共轭镜或自适应光学系统，可以补偿放大器热效应引起的激光波前失真，以提高激光束质量。校正前后的束斑能量分布如图1g所示。

2、峰值功率高的固体激光器

2.1从子千兆瓦到10千兆瓦

棒型和之字形平板放大器是实现10J级纳秒脉冲能量的首选解决方案，峰值功率为100mW至1GW。棒型放大器易于泵浦，能够实现高能量存储。激光束不穿过冷却剂以避免冷却剂对波前的影响。目前，它主要用于闪光灯泵浦的高能脉冲激光器和高能ns/ps激光器的预放大级。还有一些例子，其中高能脉冲激光器直接由二极管激光泵浦的棒状激光器实现。

与棒状和锯齿状平板结构相比，平板放大器的有源镜结构通过平衡增益介质的厚度和散热，可以获得峰值功率超过1 GW的输出脉冲。平板增益介质的大表面用作反射器。激光束在V形光路中折叠以从增益介质中提取能量存储，反射面也用作增益介质的泵浦和冷却窗口。该配置的优点如下：1）光束单次通过增益模块，实现双通提取，结构紧凑，提取效率高；2）冷却通道与激光光路分离，以避免流体对波面的影响；3）泵浦光和V型激光模式可以实现高匹配效率；4）热梯度大致沿光轴。这种配置的缺点是只有一个大表面散热。有必要集中精力消除反射镜变形的激活对强热条件下的输出的影响。LUCIA激光系统的预放大级和主放大级均采用PDL有源镜配置。

再生薄盘激光放大器示意图。

实现峰值功率为GW的脉冲的另一种方法是无CPA多程薄盘放大器，由于出色的散热性能，该放大器可直接产生平均功率为kW的超快脉冲。在没有CPA或相干光束组合（CBC）的情况下，薄盘多程放大器可以直接将亚MHz的超快种子脉冲从十分之一µJ放大到mJ，并产生峰值功率高达GW的激光脉冲。

使用准直种子束薄盘多程放大器、平面光学器件（平面镜）和具有宽曲率半径的薄盘非常适合缩放飞秒（fs）或ps操作的平均功率和峰值功率。活性介质的直径约为亚毫米，典型厚度为100–300µm。由于大光斑直径具有微弱的非线性效应和小的热透镜效应，相位前畸变较小。为了克服一次跳闸的小增益，种子脉冲必须具有良好的传输特性，以确保有效提取能量的多次通过，并与泵点匹配。基于准直传播原理，提取跳闸次数可以达到100倍。

基于光纤、平板和薄盘结构的最先进超快放大器系统和TD振荡器的脉冲能量与重复率。

2.2从10GW到100GW

如上所述，使用有源镜板放大器实现了大于10 J的脉冲能量和1 GW的峰值功率。在这种分布式结构中，Ogino等人使用脉冲能量为10 J的导电冷却有源镜放大器证明了310 W的创纪录功率。主放大器由四个大孔径Yb:YAG陶瓷（直径为60 mm，厚度为7 mm）、在78 K下冷却的液氮和PDL泵送组成。他们的目标是通过组合10多个大孔径激光头，将能量扩展到100 J，峰值功率为10 GW。然而，仍然没有关于主动镜像的峰值功率超过10 GW的公开报告。

（a）单通和（b）双通配置中薄盘多程放大器的主要设置。它由种子激光器、安装有薄盘激光器活性介质的泵浦模块、反射镜阵列、面向阵列的多个反射镜（M1）和回复反射镜对（RMP）组成。

另一个优秀的散热结构是多实验室几何结构，它将激光增益体积分成多个切片，并利用高速流过表面的冷却剂提取热量，以强制对流将热量从表面传递到冷却剂，这在Mercury系统中首次得到证明。氦气通常用作冷却剂，因为它具有化学惰性，热光系数最低，这意味着它对光束质量的影响较小。介质增益孔径可以大于100 mm，厚度可以小于10 mm。使用多实验室放大器，在LD泵浦的纳秒固态激光器中，实现了世界上第一个1kW级平均功率，最高脉冲能量为250 J。除了更大的晶体孔径外，multislab还具有以下优点。1）它可以接近最佳激光/泵浦光模式匹配效率。2）具有最高发热密度的泵表面被直接冷却，显示出有效的散热能力。3）沿光轴的热梯度很小；这有助于实现高光束质量。美国LLNL公司制造的汞激光系统获得了单脉冲能量为61J、重复频率为10Hz、脉冲宽度为15ns的脉冲输出。其主放大器级的多实验室配置包括两个增益模块（放大器头）。每个增益模块包含七块平行的Yb:S-FAP板，由高速氦气在室温下冷却。高重复率先进千兆瓦激光系统（HAPLS）的泵浦激光子系统由LLNL开发。

由于直接放大的多程盘的脉冲能量处于mJ水平，因此远未达到薄盘晶体的饱和注量。因此，采用低重复频率和高能量再生放大技术是可行的。与多程放大器相比，重放大的通过次数可以达到数百次，可以实现高达108倍的放大率。然而，高峰值功率很容易损坏腔内设备。CPA解决了在没有任何非线性过程破坏放大器的情况下获得用于应用的超强脉冲的问题。

对于a）500W和b）820W的绿色输出功率，光束轮廓在光束腰位置后面约16mm。可以观察到光束质量的恶化。

然而，当脉冲重复周期在增益弛豫时间量级时，再生放大器可能出现倍周期分岔，这引起了研究人员的广泛兴趣。Grishin和Michailovas系统总结了连续泵浦固态再生放大器的动态特性和影响因素。有人提出，增加种子脉冲能量可以改善放大动态，增加前置放大器是一种有效的抑制方案。

Klingebiel等人展示了一种带有CPA的薄盘再生放大器，在940nm的PLD泵浦下，在1kHz下获得了220mJ的脉冲能量。使用969 nm ZPL泵浦，平均输出功率在10 kHz时缩放至540 W，最大脉冲能量为50 mJ，脉冲持续时间<1.2 ps。使用双薄盘激光活性介质，系统在10 kHz重复率下提供了100 mJ以上的脉冲能量。通过将脉冲重复频率增加到20 kHz，脉冲能量为95 mJ，脉冲持续时间<600 fs。

即使结合CPA技术，Pockel电池损坏在高能条件下仍然是一个问题。薄盘再生放大器的输出功率和脉冲能量受到腔内电光晶体孔径的限制，电光器件将引入额外损耗（主要是去极化）。最大平均功率和脉冲能量受到损伤阈值、可用晶体尺寸和电池的可行开关电压的限制。为了进一步提高平均功率和脉冲能量，应使用混合放大器。薄盘再生放大器可用于预放大，而薄盘多程放大可用于主放大器。这样，脉冲的峰值功率可以超过500GW。

TRUMPF Scientific Lasers GmbH报道了一种用于激光避雷针项目的1030 nm混合放大器系统。使用啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）拉伸种子脉冲，并在1 KHz的再生放大器中放大至240 mJ，然后通过四级薄盘多程主放大将种子脉冲提升至800 mJ的最终能量，脉冲宽度为1 ns。最后，对能量为720 mJ的920 fs压缩脉冲进行了长程长丝生成测试。

完整激光系统的详细草图。来自振荡器的种子脉冲用CFBG拉伸，并首先由再生放大器放大，使用工业薄盘激光头。多程包含2个放大级，如绿色（级1）和红色（级2）区域所示。在每一级中使用两个工业薄盘激光头。光栅压缩器设置为折叠Treacy型近Littrow配置。TFP：薄膜偏振器。半波片。BBO PC：基于BBO的Pockels细胞。

然而，薄盘放大器受到其增益体积的限制，其输出脉冲能量在J的数量级以下。为了实现更大的能量放大，已经报道了更厚的盘甚至毫米级厚的AM放大器。Jung等人从再生AM获得了两个能量为80mJ的同步啁啾ns脉冲。他们将脉冲植入一个独特的大口径环形放大器中，该放大器配备两个750µm厚、直径为25mm的Yb:YAG（7%）光盘。经过4次往返后，脉冲能量超过1.2 J，压缩持续时间达到2.5 ps。

此外，Wang等人演示了一种基于低温冷却主放大器的盘-板复合结构，该主放大器包括两个Yb:YAG有源镜，输出激光脉冲为1.1J，1kHz，脉冲持续时间为4.5ps，由500µm厚的盘再生放大器发出信号。这是迄今为止报道的能量为焦耳级的最高平均功率皮秒激光器。更宽的4.5 ps脉冲宽度是由于丢弃了RA种子的部分光谱宽度，以克服室温种子和低温主放大器之间的温度失配。

2.3从TW到10PW

以上提到的所有记录保持超快激光系统都基于相对窄带增益材料，如Yb:YAG、Nd:YAG，这是实现低于100fs脉冲宽度的障碍。通过使用更宽增益带宽的晶体，如Yb:CaF2、Ti:sapphire，结合CPA技术，或采用非线性参量晶体（BBO、LBO、DKDP）进行非线性频率转换，可以获得峰值功率为TW甚至PW的多个压缩脉冲周期。

与CPA钛宝石相比，光学参量放大（OPA）晶体不储存能量，避免了增益窄化效应和寄生激光。此外，OPA卓越的宽带为超短脉冲提供了足够的带宽。由于转换晶体的透射窗口可以达到2000 nm以上，因此可以实现亚三周期fs脉冲。目前，CEP稳定（载波包络相位）、多TW、少周期OPCPA系统已广泛应用于相对论轻物质相互作用。具体而言，需要大于十个数量级的对比度来防止有害的等离子体形成；激发几个fs到阿秒的XUV脉冲和稳定的CEP维持需要小于三个周期的脉冲宽度。为了实现上述优异性能，采用了脉冲宽度小于1ps的高能圆盘激光器和mm级短晶体。此外，泵和信号之间的脉冲前沿匹配对于高转换效率至关重要。

在（a）非匹配脉冲前沿，（b）匹配脉冲前沿的情况下，第二OPCPA级之后的放大信号波束分布。

此外，当峰值缩放至PW水平时，100mm的大孔径对于非线性晶体的损伤预防至关重要。如今，最先进的晶体生长技术为两种非线性晶体提供了孔径：LBO和DKDP。与LBO相比，较低的二阶非线性和损伤阈值限制了亚PW级的峰值功率。混合CPA-OPCPA配置已经报告了800nm附近超过1pW的峰值功率输出，该配置包括具有大尺寸LBO（100mm×100mm×17mm）的主OPCPA级。此外，3级联全OPCPA激光设备在0.2 Hz下产生了18.6 fs、4.9 PW的压缩脉冲。

在实现10pW突破的道路上会有来自增益变窄和寄生激光的障碍。通过时间双脉冲泵浦方案和折射率匹配液体包层技术，可以有效地消除寄生激光和横向ASE。此外，频谱预成形方法可用于预补偿频谱偏移和抑制频谱增益变窄。还采用了再压缩过程来优化脉冲压缩。通过这种方式，上海监管局超快激光设备成功地产生了21 fs的压缩脉冲，峰值功率为10.3 PW，由国产钛宝石激光器泵浦，其中钛宝石晶体直径为235 mm，厚度为72 mm，最新输出报告为12.9 PW。全球还有其他PW设施，许多实验室已经提出了开发10个PW激光系统甚至EW级激光系统的计划。一些新技术有望进一步提高峰值功率。压缩后压缩方法（CafCA）基于非线性板中的自相位调制（SPM）光谱展宽，并通过啁啾反射镜消除光谱相位，通过进一步缩小脉冲宽度产生高峰值功率。通过时域脉冲组合，可以获得具有巨大脉冲能量和峰值功率的激光器。

除了再压缩方案之外，在主放大器之前，可以采用两种后续时间相干组合策略来获得更宽的拉伸脉冲宽度。因为从传统CPA拉伸的最大脉冲宽度约为10ns，受到可用光栅尺寸的限制。遵循这一概念的有前途的技术是分脉冲放大（DPA）和相干脉冲叠加放大。DPA是一种时域脉冲组合方法。在这种DPA方法中使用线性延迟线来制作拉伸脉冲的连续副本，然后在放大后使用相同的延迟线配置将其重新组合回单个脉冲。虽然相干脉冲叠加放大目前主要用于高重复频率光纤激光器的脉冲能量增强，但对于高重复频率盘状激光器仍具有相当大的参考意义。

2.4使能技术

2.4.1气体和低温冷却

低温冷却技术可用于改变活性介质的性能，以实现高转化效率。对于活性介质Yb:YAG，随着温度从室温降至80 K，激光材料从准三能级系统变为四能级系统，减少了激光的重吸收。当冷却至低温时，未掺杂YAG的热导率比室温下增加了近九倍。虽然当引入中等水平的掺杂时，这一优势减弱，但仍有三到五倍的显著改善。热膨胀系数和热光系数均得到改善。当温度从300 K降至77 K时，前者降低了四倍，热光系数降低了七倍。

2.4.2 ZPL和PDL泵送

激光放大器可以使用ZPL泵浦或PDL泵浦直接减少热输入，从而减少活性介质的热负荷。直接泵送至激光上能级，以降低活性介质的热负荷。例如，与Yb:YAG和940nm泵浦相比，969nm的ZPL泵浦可以减少32%的发热。在相同的热负载条件下，泵浦功率强度可增加约48%。

在低重复、高能激光脉冲放大器中，PDL泵浦可以显著降低活性介质上的热负荷，抑制ASE，从而提高转换效率。由LLNL和Lasertel联合开发的HAPLS多板主放大器级；泵浦系统由4个888nm的LD阵列组成，峰值功率为3.2mW，脉冲宽度为300µs，在1053nm处获得了97J、3.3Hz的激光脉冲。对于薄盘再生放大，Jung等人使用940nm（1.7J和970µs）的脉冲二极管激光泵，并产生100Hz、1.8ps、240mJ的脉冲光。值得注意的是，这种难以置信的脉冲能量直接通过单个磁盘再生腔实现。BBO晶体的损伤阈值将限制峰值的进一步增加。

二极管泵浦DAMAC的实验布局。FI，法拉第隔离器；HR，高反射镜；偏振分束器；QWP，四分之一波片；半波片；TS，望远镜；SA，锯齿孔。插图：单增益模块的详细布局。

2.4.3酶抑制

活性介质的能量存储能力受到不可避免的自发辐射（SE）的限制。当SE在泵浦介质中被放大时，会产生ASE，这是获得高能脉冲的主要限制之一。当脉冲重复周期为增益弛豫时间量级时，ASE是能量上升的主要限制效应。ASE对激光放大的主要影响包括耗尽上部激光歧管的布居密度，产生寄生激光，显著降低激光增益和热失真效应。

2.4.4磁盘的稳定光场

对于薄盘激光器，多程放大要求泵浦光斑和光束光斑之间具有稳定的比率，以确保提取效率并抑制自聚焦和热透镜的影响。

常规的4f成像薄盘多程放大通常在早期进行。这种结构的优点是用于多程放大的设备较少，因为无论热透镜如何，都可以再现光束大小。然而，与光束尺寸不同，相位前曲率和发散度与折射率呈线性累积，限制了放大跳闸次数和输出光束尺寸。有时需要一个真空环境来防止由于空气电离引起的光学击穿。

标准脉冲持续时间为850 fs的TruMicro 5070毫微微版本与产生405 fs脉冲的特殊IR版本的自相关（标记测量数据，基于sech2模型的线拟合）

另一种基于傅里叶变换的结构可以将相位畸变转化为空间光晕，光晕的一部分通过软孔径效应丢失，从而提供优异的光束质量。结合4f成像和基于傅立叶的原理的混合架构可以在紧凑布置中实现高增益。基于这种结构，可以补偿有源介质中出现的球形相位前畸变，通过20次精确运算，实现了30的小信号增益。此外，总传播距离显著缩短，系统复杂度略有增加。

利用盘的凹半径和平面镜阵列，光束可以在传播过程中以大光束尺寸保持几乎准直。这样，紧密的中间焦点被有效地消除，并有助于减小累积光束劣化和B-integral。由于圆盘晶体在短空间距离内具有较大的基模匹配，因此它是目前高平均功率超快激光器的常用结构。然而，该系统对热透镜焦距的变化更为敏感；因此，薄圆盘需要具有弱聚焦功能，以防止光束在自由空间传输中逐渐扩散。

来源：High-Power Laser Systems, Laser & Photonics Reviews, doi.org/10.1002/lpor.202100741

参考文献：O. H. Heckl, J. Kleinbauer, D. Bauer, S. Weiler, T. Metzger, D. H. Sutter, in Ultrashort Pulse Laser Technology (Eds: S. Nolte, F. Schrempel, F. Dausinge), Springer, Switzerland 2016, Ch. 5.