大咖50谈 | 深圳技术大学讲席教授唐定远：大能量高功率超快固体激光器发展回顾及国产化制备面临的挑战

在展会现场举办的“激光微纳加工与制造论坛”上，深圳技术大学讲席教授唐定远，围绕着大能量高功率超快固体激光器发展回顾及国产化制备面临的挑战等话题展开讨论。

深圳技术大学 讲席教授

唐定远教授多年来一直致力于激光物理与技术、非线性光学、超快光学、透明激光陶瓷等领域的研究，在国际著名学术期刊上发表论文500余篇，被引30000余次。曾担任各种国际重要学术会议主席、分会主席20余次，并受邀在各种国际学术会议做特邀报告50余次，同时拥有美国、新加坡、以色列、中国等国多项专利。

本次会议唐教授发表《大能量高功率超快固体激光器发展回顾及国产化制备面临的挑战》专题演讲。主要从超快激光的应用、超短脉冲产生技术、超短脉冲激光功率及能量提升、国产高功率碟片激光制备面临的挑战四个方面进行详细介绍。

激光产生的本质是空域、频域、时域光能量的汇聚。而产生激光超短脉冲的技术常称为锁模技术。传统激光锁模理论为激光腔中多纵模线性相干迭加，因此激光介质增益带宽越宽，纵模数量越多，所形成的锁模脉冲宽度则越窄。

唐教授在演讲中表示脉冲激光动力学是复杂的，大致遵从金斯伯克-朗道方程,其在强非线性条件下存在孤子解。孤子的形成限制了单脉冲的能量和脉冲的峰值功率。增大孤子激光器的平均功率，只能增加输出脉冲的个数，而不能增加单脉冲的能量和峰值功率。唐教授向激光产业学者提出，在理解制备高功率大能量的激光器之前要先理解其特点。当脉冲的峰值功率达到一定強度，脉冲在腔内的循环是高度非线性的，增加泵浦虽然能增大脉冲激光器的平均功率，但由于孤子分裂，单个脉冲的能量是确定的。因此在做激光器的时候这个特性是必须要考虑的，如果忽略很有可能激光器的平均功率很高，脉冲的峰值功率并不是很高。

同时，唐教授指出在工业领域应用中，大家都在关注如何增加生产效益、提高加工的效率，这离不开大功率、大能量激光。想要实现高功率激光，首先要解决量子亏损热效应问题，这是限制高功率激光器的本质效应。只有有效热管理才能获得更高功率输出。经过发展目前有两种较为有效的解决方式。第一，采用光纤结构增益介质。传统的增益介质具有棒状结构，热效应引起的透镜效果强，通过将激光棒纵向延伸转变成光纤结构，由于其非常大的表面积-体积比，能达到非常好的散热效果。第二种方式则是将增益介质做成薄片结构。即将增益介质的长度缩短而扩展横向形成薄片，这样热扩散仅沿激光的轴向。该结构不仅能避免热透镜的形成，而且还能有效降低非线性效应的影响。

根据激光器的特点，唐教授总结了以下三类激光器能量提升的方法：

• 光纤激光器：光在光纤中传输产生强非线性位相调制，光孤子效应严重限制单脉冲的能量和峰值功率。有效增大单脉冲能量和峰值功率的方法是增大光纤有效模场的面积，如釆用大模场光纤或光子晶体光纤，且采用啁啾脉冲放大+ 脉冲压窄技术。釆用该方法，单根光纤脉冲输出平均功率可达千瓦水平。为了进一步增加平均功率还有另外一种技术，就是用相干光束叠加的方法，这个方法可以把脉冲光纤激光器的功率提升至一万瓦，甚至超过一万瓦。

• 碟片激光器：对于确定掺杂浓度的介质来说，碟片厚度越薄，热效应越小。为了有效增大泵浦光的吸收，必须采用多程泵浦。为了更好的放大碟片激光脉冲能量，可采用碟片再生放大或多通放大方法，碟片再生放大的特点主要是脉冲重复率可调，脉冲经碟片多次放大，输出脉冲频率远小于振荡器频率。此方法能将脉冲能量做大至几十，甚至几百毫焦。碟片再生放大的特点是任意形状，长度，偏振，重复率的脉冲均可被放大。

• Innoslab激光器：InnoSlab超短脉冲激光器具有结构紧凑，高效率和较高光束质量的特点，其基本思路也是将增益介质做成薄片状以利于有效散热，并借助光束的扩散来调控光强以减少非线性的影响。采用innoslab放大方法，目前高功率超快脉冲的功率可提升到千瓦量级。

国产碟片激光器的性能相比国外产品的性能仍然差距较大。虽然国内几家研究单位研制的碟片激光器输出功率也达到了千瓦的量级，但光束质量还有待提高。要实现高功率锁模脉冲，光束质量致关重要。唐教授在总结国产碟片激光制备的现状以及需要解决的核心问题时表示，其关键点在于如何制备出高质量的碟片激光头部件，而要制备出高质量的碟片激光头，则必须解决 a)大尺寸增益介质的制备; b)大径厚比晶体薄片的抛光; 以及 c) 异质材料低温键合的问题。唐教授表示他与其团队在此方面做了大量研究。在增益介质制备方面他们建议用激光陶瓷来做增益介质，采用先进陶瓷制备技术。其团队已经能批量制备大尺寸高效率倍半氧化物基激光陶瓷，同时通过对陶瓷进行抛光，陶瓷薄片的厚度最终可达200~300微米，面型达1/10氦氖激光波长，及表面粗糙度达到0.5纳米的层级。但该结果仍然不能满足要求。

在会议的最后，唐教授表示要克服并解决以上难关，离不开各位激光产业中学者和企业的支持，未来期待携手解决激光制造“卡脖子”难题，实现国产化碟片激光器制备高水平发展。