（文章來源：激光天地）

高平均功率二極管泵浦固體激光器(DPSS)是科研和工業應用中不可或缺的工具，但DPSS激光器的一大特點是需要高效散熱以防熱光畸變。使用超薄碟片作為激光增益介質是解決這個問題的一種重要途徑，這樣不僅能用更大的泵浦光斑提高功率，也有利于產生高峰值功率超短脈沖。因為激光只通過很薄的材料，所以高峰值功率不會形成有害的非線性光學效應。基于摻鐿介質尤其是Yb:YAG(摻鐿釔鋁石榴石)的飛秒激光器的平均功率已達千瓦級。自從1994年碟片激光器問世以來，研究人員不斷改進基本結構和增益材料，提升各方面的性能規格，有望解鎖很多科研和工業應用。

碟片激光器充分利用增益材料的幾何形狀高效散熱。碟片厚度一般在0.1毫米左右，橫向約幾個厘米。左下圖為碟片激光裝置通過棱鏡和拋物面鏡等光學元件使泵浦光束在碟片上多次反射，右下圖為放大顯示的已安裝碟片。因為激光和泵浦光斑直徑都遠大于碟片厚度，熱量很快就能流向背面的散熱片。盡量減薄碟片能夠有效減少激光工作時累積的熱量。由于光學、熱學和機械性質俱佳，Yb:YAG是目前碟片激光器的標準增益材料。

碟片前表面鍍增透膜，后表面鍍高反膜，整體是一種有源反射鏡結構，能夠高效吸收泵浦光，提高光學效率。但是，由于碟片太薄，一次反射無法產生足夠的吸收，因此可以靠近碟片安裝一個拋物面反射鏡，通過泵浦光的多次反射增加吸收。碟片單次反射產生的激光增益只有10%左右。碟片激光器單位長度的增益要遠高于光纖激光器，在光學共振腔中放入碟片就足以輸出高平均功率。

具體的實施辦法有兩種：鎖模振蕩器和再生放大器(下文通過蘇黎世聯邦理工學院Ursula Keller碟片激光器團隊的研究成果詳細介紹)。另外，使激光在碟片上多次反射，不用光學共振腔也能顯著放大，這種情況可以使用先進的多通放大器。碟片激光器是實現100瓦以上超快激光系統的主要商用技術之一，廣泛用于材料加工，比如制備微米級精度的特征結構。1皮秒左右超短脈沖可快速消融目標區域，避免熱量傳遞到周圍材料，從而產生清晰的特征結構，因此在這類加工中很有優勢。

碟片激光可以加工的材料很多，特別是通過非線性頻率轉換產生紫外光時。這些激光器已廣泛用于藍寶石、顯示器玻璃、陶瓷、金屬箔類和噴油嘴等高難材料的切割和鉆孔。商用超快碟片激光系統包括通快的TruMicro和Dira系列以及Dausinger + Giesen的VaryDisk系列。

除了工業應用，近年來科研應用也促進了高脈沖能量、高平均功率激光系統的發展，使用近紅外泵浦光驅動非線性效應得到二級光源。比如，通過非線性脈沖壓縮使峰值功率達到太瓦(TW)級甚至更高、通過高次諧波產生極紫外阿秒脈沖、通過光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)產生近紅外或中紅外極短脈沖，并在泵浦探測實驗用于研究飛秒或阿秒超快激光和物質的相互作用。

這些科研應用都需要高能量脈沖。由于過去激光系統的平均功率往往有限，因此要使用較低的重復頻率。但隨著現代工業激光技術的發展，情況已不復如此。通過高功率泵浦激光可以大大提高重復頻率，以此提高實驗靈敏度和速度，而且裝置大小適中，能在一般科研實驗室使用。另外，歐洲極端光基礎設施(ELI)等重要超強激光研究所都在致力于推進高能量、高重頻光源的發展。

為了滿足超強激光的嚴苛要求，存在各種高功率激光技術，包括碟片、光纖和板條放大器。碟片再生放大器的主要優勢是能夠在極高脈沖能量時提供衍射極限性能。比如，近年來超快碟片激光系統已達到千瓦平均功率和200 mJ脈沖能量，焦耳量級脈沖能量將是下一個突破目標。

很多高功率激光系統采用MOPA(主振蕩功率放大器)結構，將低功率振蕩器的展寬脈沖導入多級放大器，然后再次壓縮，這樣實施相對復雜。碟片技術執行則更簡單：直接通過鎖模激光振蕩器產生亞皮秒高功率脈沖。

關于碟片振蕩器的鎖模，可以在共振腔中使用半導體可飽和吸收反射鏡(SESAM)。SESAM支持功率倍增，而且通過激光共振腔的優化設計，能將熱透鏡效應對碟片的影響降至最小，從而以高平均功率穩定工作。而且還能穩定載波包絡偏移頻率，這對于阿秒泵浦探測實驗非常重要。自從2000年鎖模碟片振蕩器實驗成功以來，Keller團隊不斷在超短脈寬和高平均功率兩個方面取得突破。

超快碟片激光器近年來有三大技術挑戰：如何管理腔內強光學非線性效應？如何用有限的高功率增益材料獲得更短的脈沖？如何放大平均功率？空氣的光學非線性是鎖模碟片激光器面臨的老難題。強脈沖改變空氣折射率，足以影響超短脈沖的穩定形成。所以目前最高功率都是在近真空環境中取得的，這讓實驗裝置更為復雜。

這個問題的解決方法之一是在激光共振腔中加入特殊設計的負非線性晶體，以此抵消腔內氣體的正非線性效應，從而使激光器能在環境氣壓下工作。通過這種實用方法，Ursula Keller碟片激光團隊在2018年成功研制出脈寬780 fs、平均功率210 W的SESAM鎖模Yb:YAG碟片激光器。

為了比SESAM鎖模Yb:YAG碟片激光器產生更短的脈沖，另一個研究方向是尋找新的增益材料。Yb:Lu2O3或Yb:CaGdAlO4等材料有望達到YAG的平均功率性能，而且由于發射截面更寬，因此支持更短的脈沖。但是，這些材料在高功率和短脈沖增益之間需有所折中。

如果仍然使用成熟的Yb:YAG材料，修改鎖模機制才能產生更短脈沖。比如，2014年德國馬克斯普朗克量子光學研究所Jonathan Brons等人通過克爾透鏡鎖模(KLM)振蕩器取得的最高270 W的平均功率，證明KLM既能提高功率，而且由于其快速非線性響應還能產生更短的脈沖。理想的鎖模機制需要同時具備SESAM和KLM的優勢，1988年Stankov提出的倍頻非線性反射鏡鎖模技術就同時具備這兩種優勢。這種技術早期成功用于塊狀晶體激光器，不過峰值功率有限。

Ursula Keller團隊2017年將倍頻非線性反射鏡鎖模技術成功用于碟片激光器。在最初的原理驗證中，碟片激光器能夠產生脈寬最短323 fs、平均功率21 W的脈沖，后續將功率提高至87 W，不過脈寬為586 fs。使用商用低吸收非線性晶體突破100 W量級看起來也很可行。
（責任編輯：fqj）