高峰值功率激光器的研究与发展 崔建丰作者简介：崔建丰(1977)，男，长春光学精密机械与物理研究所在读博士，北京国科世纪激光技术有限公司，主要从事半导体抽运、灯抽运高平均功率调Q激光器、高能量超快固体激光器及其频率变换技术研究。发表文章7篇，发表专利18个。Tel:+86-10-6298-1938 ;fax:+86-10-6298-1940；地址：北京市海淀区上第四街1号北京国科激光世纪激光技术有限公司，邮编：100085；Email：:cuijf163.com，2，3,樊仲维1,3,4 , 裴博3,4, 薛岩3，张晶1,2,3, 尹淑媛3，牛岗1,2,3, 石朝晖1,2,3,王培峰1,2,3 , 毕勇4(1、中国国科学院院长春光光学精密密机械与与物理研研究所，长长春 11300022； 2.、中中国科学学院研究究生院，北北京 11000049； 3、北北京国科科世纪激激光技术术有限公公司，北北京10000885；44、中国国科学院院光电研研究院，北北京10000885），摘要: 针针对高峰峰值功率率激光器器的关键键技术进进行了介介绍和分分析。对对于大能能量低重重复频率率的高峰峰值功率率固体激激光器，采采用非稳稳腔技术术，结合合聚光腔腔增益分分布的相相交圆光光线追迹迹技术，可可以得到到大能量量高光束束质量的的激光输输出；对对于窄脉脉宽的纳纳秒/亚亚纳秒激激光输出出，端泵泵微片或或者脉冲冲LD侧侧泵浦腔腔倒空技技术师很很好的选选择；而而对于超超短脉冲冲输出的的高峰值值功率激激光器，稳稳定的种种子输出出和再生生放大在在其中起起着至关关重要的的作用。关键词： 激光技技术；固固体激光光；相交交圆聚光光腔；非非稳腔；亚纳秒秒激光；Studyy annd ddeveeloppmennt oof tthe higgh ppeakk poowerr laaserrCui JJiannfenng 11,2,3, Faan ZZhonngweei 11,3,4, Peii Boo 3,4 , Xuue YYan 3, Zhaang Jinng 11,2,3, Yinn Shhuyuuan33，Niiu GGangg 1,2,33, SShi Zhaaohuui 11,2,3,WWangg Peeifeeng11,2,3, BI Yonng4 (1、Chhanggchuun IInsttituute of Optticss, FFinee Meechaaniccs aand phyysiccs, Chiinesse AAcaddemyy off Sccienncess, CChanngchhun, 13300222 2、AAcaddemyy off grraduuatee, CChinnesee Accadeemy of Sciiencces，BBeijjingg 11000049 3、BBeijjingg GKK Laaserr Teechnnoloogy Co.，Lttd., Beeijiing 100008554、Acaademmy oof OOptoo-ellecttronnicss, CChinnesee Accadeemy of Sciiencces, Beeijiing 10000855)Abstrractt: TThe pivvot tecchnoologgy aabouut hhighh peeak powwer lasser wass inntrooducced andd annalyyzedd. FFor larrge eneergyy wiith loww reepettitiion ratte ffreqquenncy LD-pummpedd soolidd sttatee hiigh peaak ppoweer llaseer, it cann bee reeachhed by unsstabble cavvityy annd llighht ttraccingg inn innterrsecctinng ccirccle pummpedd caavitty; whiile forr thhe nnanooseccondd annd ssub-nannoseeconnd llaseer, LD endd-puumpeed mmicrro-ddiskk orr puulsee LDD siide=pummpedd caavitty ddumppingg maay bbe aa goood appproaach; buut ffor thee suuperrshoort pullse higgh ppeakk poowerr laaserr, oonlyy wiith thee exxtraaorddinaary staablee coontiinuee moode-locckedd seeed andd peerfeect reggeneerattivee caan iit bbe aachiieveed. Key wwordds: lasser tecchnoologgy; sollid staate lasser; innterrsecctinng ccirccle pummpedd caavitty; unsstabble cavvityy; ssub-nannoseeconnd llaseer 1引言 固体激激光器在在激光加加工领域域的应用用推广迅迅速，但但目前国国内的应应用绝大大多数还还局限在在1.0064uum的红红外波段段，峰值值功率在在50KKW以内内的水平平。而多多数的材材料在短短波段显显示出更更强烈的的吸收特特性11，通通过非线线性频率率变换技技术得到到准连续续的绿光光、紫外外激光器器，在激激光打标标、刻槽槽、划片片、调阻阻和表面面硬化处处理中显显示出更更佳的性性能。由由于聚焦焦光斑的的尺寸和和波长成成正比，所所以短波波长的绿绿光、紫紫外激光光器无疑疑可以得得到更高高的分辨辨率22；而而更短的的脉宽不不仅仅意意味着在在激光加加工过程程中产生生更小的的热影响响，而且且，脉宽宽越短，一一般来说说，材料料的损伤伤阈值越越高，非非线性晶晶体的谐谐波转换换效率越越高。高峰值功率率激光器器与传统统的激光光器相比比，具有有脉冲能能量大（几几十毫焦焦乃至几几焦耳），脉脉冲宽度度短（从从飞秒、皮皮秒到亚亚纳秒和和纳秒左左右），峰峰值功率率更高(MW乃乃至GWW)、实实现难度度更大等等特点。这这类激光光器在激激光加工工、流场场显示、海海洋探测测、光电电对抗、激激光医疗疗、大气气监测、激激光通信信、谐波波变换、XX射线激激光器、自自由电子子加速器器、惯性性约束核核聚变3、 超短脉脉冲掺钛钛蓝宝石石可调谐谐激光器器的研究究等领域域同比拥拥有更多多的优势势。目前前，这类类激光器器的技术术主要为为国外的的如美国国相干、光光谱物理理、德国国揶拿、白白俄罗斯斯Sollar等等大公司司所掌握握，所以以可以这这样认为为：高峰峰值功率率激光器器及其频频率变换换技术的的发展水水平，直直接关系系或制约约着国内内激光技技术的发发展水平平，并影影响各相相关激光光应用行行业的发发展，在在国民经经济发展展中具有有战略意意义。因为激光脉脉冲的峰峰值功率率与脉冲冲能量成成正比，与与脉冲宽宽度成反反比，所所以要想想得到更更高的峰峰值功率率，要么么实现更更高的能能量输出出，要么么缩短脉脉冲的宽宽度。深深入了解解这类激激光器各各自的技技术特性性并实现现进一步步的突破破,具有重要要意义。2. 大能能量高光光束质量量激光器器2.1 VVRM非非稳腔腔腔型设计计 要实实现大能能量高光光束质量量的激光光输出，传传统稳定定腔设计计显然远远远不能能满足要要求。因因为此时时，激光光晶体棒棒的尺寸寸都比较较大，而而传统稳稳定腔的的腔型设设计，很很难实现现基模半半径大于于1mmm的稳定定输出；而要采采用传统统的非稳稳腔，虽虽然可以以增加基基模体积积，但却却又存在在硬边衍衍射和近近场纹波波4，利用用带变反反射率输输出镜（VVRM）5,结合重重复频率率要求，选选用适当当的放大大率一般般可以实实现高光光束质量量的激光光输出。VVRM非非稳腔光光路如图图1所示示：图1、 VVRM非非稳腔光光路VRM的反反射率可可以镀成成高斯分分布的（图图2），也也可以镀镀成超高高斯分布布的（图图3），具具体取决决于系统统设计的的稳区要要求。 图22、 高斯分分布VRRM 图图3、超超高斯分分布VRRM 2.2 大大能量固固体激光光器聚光光腔设计计 如果果只有一一级振荡荡级就可可以满足足最终的的能量要要求，采采用陶瓷瓷漫反射射聚光腔腔一般来来说不仅仅可以获获得很高高的效率率，而且且能够保保障激光光光斑均均匀66，模模式较好好。但如如果需要要多级功功率放大大才能实实现最后后的输出出，陶瓷瓷漫反射射聚光腔腔的设计计常会造造成输出出光斑的的边缘很很亮，中中心部分分光斑相相对较弱弱的情形形。这就就必须对对每一级级的泵浦浦光分布布进行合合理的安安排，使使之相互互补偿，实实现高光光束质量量的激光光输出。采用相交圆圆7，不仅仅可以使使整个聚聚光腔的的设计更更小巧，而而且可以以比较容容易的进进行光线线追迹，合合理安排排泵浦光光在晶体体棒中的的分布。如如图4为为相交圆圆聚光腔腔的示意意图，其其中相交交圆半径径R,弧弧高H,晶体棒棒半径rr,灯棒棒间距22C,任任意光线线O1M经弧弧面反射射后与晶晶体棒相相交，OO2到MLL的距离离S1,考虑晶晶体棒的的折射效效应，实实际距离离S2,实际走走过的距距离PQQ。 (aa) (bb)图4为相交交圆聚光光腔的示示意图如果希望设设计相对对均匀的的泵浦光光分布，可可以参照照图5；如果希希望设计计相对集集中于晶晶体棒中中心的泵泵浦光分分布，可可以参照照图6。 图5、相对对均匀的的泵浦光光分布 图66、相对对集中的的泵浦光光分布 3. 短脉脉冲/超超短脉冲冲激光器器 33.1纳纳秒/亚亚纳秒脉脉冲激光光器的激激光脉宽宽介于普普通的声声光调QQ、电光光调Q激激光器和和高端的的锁模激激光器之之间，由由于脉宽宽比普通通的调QQ激光脉脉宽要短短1个数数量级以以上，所所以同等等量级输输出能量量的前提提下，具具有更高高的峰值值功率，而而与锁模模激光器器相比，不不需要锁锁定多个个纵摸，腔腔长也不不用搞得得很长，重重频可以以通过合合适的电电光器件件或声光光器件，很很容易控控制。从从而避免免了传统统锁模种种子动辄辄上百兆兆Hz,不经过过选单放放大几乎乎无法使使用的弱弱点，很很容易实实现可靠靠的稳定定输出。对于纳秒/亚纳秒秒脉冲激激光器的的研究,国内研研究的比比较少，主主要是通通过SBBS布里里渊散射射池实现现位相共共轭的同同时，压压短脉冲冲，这种种方法国国内能做做到最短短脉宽在在60个个皮秒以以上88；另另外还有有通过腔腔外电光光器件斩斩波来实实现纳秒秒左右的的短脉冲冲，但斩斩波的方方式有很很多先天天的弊病病：首先先，斩波波是以牺牺牲能量量为代价价的，比比如如果果要将一一个300纳秒的的脉冲斩斩成3纳纳秒,其其激光能能量至少少要