大能量碟片激光多通放大器腔體設(shè)計研究綜述

陳 毅，孫俊杰,2*，于晶華,2，姚志煥,2，張逸文，于德洋，何 洋，張 闊，潘其坤，陳 飛*

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049）

1 引 言

固體激光器[1-3]有多種體制，其中，碟片激光技術(shù)的散熱表面積體積比不隨通光孔徑的增加而變化，因此具備極大的功率/能量擴展性。Yb:YAG碟片再生放大器已經(jīng)實現(xiàn)單脈沖能量為200 mJ、重頻為5 kHz、脈寬為1.1 ps 的高能激光脈沖[4]與單脈沖能量為95 mJ（壓縮前）、重頻為20 kHz 的高重復(fù)頻率激光脈沖[5]。但受限于再生放大器中BBO（BaB2O4）普克爾盒的通光孔徑與損傷閾值，碟片再生放大器的能量提升陷入瓶頸。為解決該問題，一般使用碟片多通放大器繼續(xù)提升激光能量。

由于碟片晶體的厚度很薄，一般為100～500 μm，單通增益低，需要數(shù)十次通過碟片提取能量，因此碟片多通放大器的腔體光路設(shè)計較為復(fù)雜。國際上經(jīng)過近20 年的發(fā)展，發(fā)展出4f中繼成像、諧振腔設(shè)計/光學(xué)傅立葉變換、近準(zhǔn)直光束傳輸?shù)雀拍畹牡す舛嗤ǚ糯笃?，本文對其設(shè)計理念與研究進展進行歸納與闡述，并對下一步發(fā)展做展望。

2 基于4f 中繼成像的多通放大器

2.1 常規(guī) 4 f中繼成像多通放大器

基于4f傳輸系統(tǒng)的多通放大器的應(yīng)用案例[6-9]較多，其基本原理如圖1 所示。碟片晶體位于傳輸透鏡的焦點位置，兩片傳輸透鏡的間距為2f。其優(yōu)點是經(jīng)過4f系統(tǒng)傳輸后光斑尺寸保持不變。

圖1 4f 中繼傳輸系統(tǒng)。帶有兩個透鏡的中繼成像可再現(xiàn)碟片上激光束的相位和強度分布[6]Fig.1 4f relay transmission system.Relay imaging with two lenses to reproduce the phase and intensity distribution of the laser beam on the thin clisk[6]

對于具有不同光斑半徑、波前曲率的光束，經(jīng)過4f系統(tǒng)后的光斑變換情況如圖2（彩圖見期刊電子版）所示（使用ABCD 矩陣計算得到），其中碟片晶體的光焦度（即焦距的倒數(shù)）為零，即不存在熱透鏡效應(yīng)，傳輸透鏡的焦距為1 m。Beam1、Beam2 與Beam3 的入射光斑半徑與波前曲率半徑分別如表1 所示，可見經(jīng)過4f系統(tǒng)傳輸后，再現(xiàn)了入射光束的光斑半徑與波前曲率。

表1 4 f 系統(tǒng)傳輸前后的光束參數(shù)Tab.1 Beam parameters before and after 4f system transmission

圖2 不同半徑、不同波前曲率的光束在4f 系統(tǒng)內(nèi)傳輸情況（碟片光焦度為0，光焦度指焦距的倒數(shù)）Fig.2 Graph of beams with different spot radii and wavefront curvatures propagating in a 4f system (The diopter of thin-disk is 0, and the diopter refers to the reciprocal of the focal length)

圖3（彩圖見期刊電子版）展示了光束通過5 個4f系統(tǒng)，入射光束的參數(shù)如下：光斑半徑為0.5 mm、波前曲率半徑為10 m，圖中綠色五角星指碟片所在位置，藍色方塊代表傳輸透鏡所在位置，傳輸透鏡的焦距為1 m。圖3 中，碟片晶體的光焦度為0 時，即Diopterthin-disk= 0 m-1，光束通過5 個4f系統(tǒng)后，保持光斑半徑和波前曲率不變，但當(dāng)?shù)w的光焦度不為0 時，輸出光束的光斑半徑與波前曲率均發(fā)生變化，尤其4f系統(tǒng)內(nèi)的最小光斑逐漸變小，最大光斑逐漸變大。這將帶來2 個問題：（1）系統(tǒng)內(nèi)光斑最小位置處的能量密度逐漸增大，直到大于器件的損傷閾值；（2）系統(tǒng)內(nèi)的最大光斑尺寸逐漸變大直到大于器件尺寸。

圖3 不同碟片晶體光焦度時光束在5 個串聯(lián)4f 系統(tǒng)內(nèi)的傳輸情況Fig.3 Transmission curves of beams within 5 tandem 4f systems when the diopter of the thin-disk is different

調(diào)研統(tǒng)計到的基于4f系統(tǒng)的多通放大方案有4 種，分別是德國斯圖加特大學(xué)Daniel Müller提出的透鏡/拋物面鏡+棱鏡方案[6]、德國德累斯頓-羅森道夫亥姆霍茲研究中心的4f系統(tǒng)[7,10]、巴黎第十一大學(xué)的雙碟片4f系統(tǒng)[8,11]、德國宇航中心[12]等，下面分別講述。

2.1.1 德國斯圖加特大學(xué)4f系統(tǒng)

如圖4 所示，德國斯圖加特大學(xué)Müller D 等[6]使用透鏡與棱鏡將4f系統(tǒng)小型化，實現(xiàn)16 通激光放大（由于碟片晶體后表面的反射作用，因此激光被碟片反射1 次算2 通），通過擴大透鏡與棱鏡尺寸，理論上激光放大次數(shù)不受限制。

圖4 （a）包含一個透鏡和兩個棱鏡對的4f 系統(tǒng)光路；（b） 通過透鏡的光束位置[6]Fig.4 (a) Optical path of a 4f system consisting of one lens and two prism pairs; (b) position of the beam passing through the lens[6]

由于圖4 所示方案的光束焦點處于棱鏡對附近，能量密度較高，因此棱鏡易損壞，為降低棱鏡的損傷幾率，作者提出圖5 所示的改進方案。與圖4 相比，使用拋物面鏡代替透鏡，通過增加棱鏡的數(shù)量與排列方式使得光路焦點位于空氣中。作者使用該放大器實現(xiàn)48 通放大，得到脈沖能量為11.6 mJ、脈沖重復(fù)頻率為1 kHz、脈寬為0.3～0.6 μs 的激光。

圖5 包含拋物面鏡與棱鏡的碟片多通放大器[6]Fig.5 Thin-disk multi-pass amplifier with parabolic mirrors and prisms[6]

2.1.2 德國德累斯頓-羅森道夫亥姆霍茲研究中心的4f系統(tǒng)

2012 年，德國德累斯頓-羅森道夫亥姆霍茲研究中心Loeser M 等[7]使用基于4f中繼成像的12 通放大器（圖6），直接放大再生放大器注入的200 μJ、1.8 ps 激光，得到30 mJ 激光輸出，脈沖重復(fù)頻率達10 Hz。同年，該課題組使用陶瓷Yb:LuAG 多通放大器，將1 mJ、脈寬6 ns 種子光放大至580 mJ，重頻100 Hz，最大光光轉(zhuǎn)換效率為28%[10]。

圖6 基于4f 中繼成像的12 通碟片放大器[7]Fig.6 12-pass thin-disk amplifier based on 4f relay imaging[7]

2.1.3 巴黎第十一大學(xué)的雙碟片4f系統(tǒng)

2013 年，巴黎第十一大學(xué)Friebel F等[8,11]使用2 個Yb:CaF2作為端面鏡，基于4f中繼傳輸系統(tǒng)設(shè)計了18 通碟片放大器（圖7-圖8），將1.1 mJ種子光放大至57 mJ，脈沖重復(fù)頻率為20 Hz，光束質(zhì)量M2=1.1。

圖7 基于4f 中繼成像的14 通碟片放大器[10]Fig.7 14-pass thin-disk amplifier based on 4f relay imaging

圖8 基于雙碟片4f 系統(tǒng)的18 通放大器[8,11]Fig.8 18-pass amplifier based on a dual thin-disk 4f system[8,11]

2.1.4 德國宇航中心提出的4f系統(tǒng)

2020 年，德國宇航中心Zwilich M 等[12]使用基于4f中繼成像系統(tǒng)的14 通放大器，對75 mW注入光放大，獲得增益G= 1.3。圖9 為其原理圖與實物圖，使用圓形對稱結(jié)構(gòu)從而獲得對稱光路且光程相同。

圖9 基于4f 中繼成像系統(tǒng)的14 通放大器。（a）單碟片雙通放大器俯視圖；（b）非折疊的光路傳輸示意圖；（c）碟片多通放大器實物圖[12]Fig.9 14 pass amplifier based on 4f relay imaging system.(a) Top view of the single thin-disk dual-pass amplifier; (b) schematic diagram of non-folded optical path transmission; (c) physical diagram of the thindisk multi-pass amplifier[12]

2.2 改進的中繼成像多通放大器

雖然4f中繼成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且保證中繼成像的光斑尺寸不變，但當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在熱透鏡時，存在2 個不利因素：（1）系統(tǒng)內(nèi)最小光斑逐漸減?。ㄒ妶D3），導(dǎo)致能量密度逐漸增大直至大于器件的損傷閾值；（2）系統(tǒng)內(nèi)的最大光斑逐漸增大直至大于器件尺寸。這對高能多通放大激光器的使用是不利的。

為彌補熱透鏡效應(yīng)，多家機構(gòu)給出了解決方案，大體有2 種：（1）使用相反面形的端面鏡補償?shù)臒嵬哥R效應(yīng)；（2）采用液氮制冷減小熱效應(yīng)并減小所需的放大次數(shù)。除此之外，將雙中繼成像系統(tǒng)放大通數(shù)提升至64 通[13]，甚至更多。

2.2.1 相反面形端面鏡補償熱效應(yīng)

圖10 展示了德國宇航中心Speiser J 等[14]提出的帶有補償鏡、基于中繼成像的碟片多通放大器，其中最右端的端面鏡的曲率半徑與碟片晶體的熱致曲率半徑相等，面形相反，例如凸面鏡對應(yīng)凹面鏡，從而補償?shù)w熱效應(yīng)，使得待放大激光每次通過碟片晶體時都具有相同的光斑半徑與發(fā)散角。該多通放大器中碟片共反射待放大激光12 次，將2 kW 連續(xù)波入射激光放大至14 kW，光束質(zhì)量M2=10。類似使用補償鏡的報道還包括日本國家量子與輻射科學(xué)技術(shù)研究所Yoshihiro Ochi 等的成果[15]。

圖10 帶有補償鏡、基于中繼成像的碟片多通放大器俯視圖[14]Fig.10 Top view of the thin-disk multi-pass amplifier with compensation mirror based on relay imaging[14]

2016 年，耶拿大學(xué)K?rner J 等[16]將中繼成像中的一個拋物面鏡與補償鏡用1 個補償鏡代替，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，簡化后的光路如圖11所示。

圖11 改進中繼成像光路圖（使用一個補償鏡代替拋物面鏡與補償鏡）[16]Fig.11 Improved relay imaging optical path diagram (Using a compensating mirror instead of a parabolic mirror with a compensating mirror)[16]

在商用產(chǎn)品方面，德國Dausinger + Giesen 公司推出輸出能量達750 mJ、脈寬小于3 ps、脈沖重復(fù)頻率為1～1.75 kHz 的商用激光器，采用啁啾脈沖放大方案，系統(tǒng)使用工業(yè)設(shè)計的真空室[17]，及真空設(shè)計的TDM30 碟片泵浦模塊，多通放大器基于4f中繼成像原理，并使用端面補償鏡補償?shù)巫儭?/p>

2.2.2 低溫（≤100 K）制冷減小熱效應(yīng)并減小所需的放大次數(shù)

低溫制冷從應(yīng)力、熱學(xué)與光學(xué)等多方面改變增益介質(zhì)的性質(zhì)，以YAG 舉例，在不同溫度，～90 K 與～298 K 時，其機械、熱學(xué)特性將發(fā)生如下改變[18]：（1）熱導(dǎo)率提升至4.1 倍；（2）熱致折射率系數(shù)dn/dT降低至約1/8，其中n與T指折射率與溫度；（3）熱膨脹系數(shù)降低至約1/3。這使得熱透鏡效應(yīng)與光學(xué)畸變大幅下降。光學(xué)特性的改變?nèi)缦拢ㄒ該诫s濃度為2%的Yb:YAG 單晶舉例，80 K與293 K 溫度下的性能對比結(jié)果）[18,19]：（1）吸收截面峰值強度提升約3 倍；（2）發(fā)射截面峰值強度提升約5 倍。這帶來更高的吸收與輻射效率，在保證相同光光轉(zhuǎn)換效率的前提下，可減小放大通數(shù)。總的來說，低溫制冷可在提升光光轉(zhuǎn)換效率的同時，使系統(tǒng)擁有更佳的光束質(zhì)量。當(dāng)然，低溫制冷也會引起吸收、輻射譜寬度（FWHM）減小等，這對于需要寬增益譜的應(yīng)用是不利的。

2014 年，德國漢堡大學(xué)Calendron A L 等使用4f中繼成像+萬花筒系統(tǒng)組成的12通放大器，將Yb:YAG 晶體溫度控制在82～93 K，實現(xiàn)50 mJ、100 Hz 重復(fù)頻率的激光輸出[20]，其光路如圖12 所示。2015 年，該課題組將輸出激光參數(shù)提升至單脈沖能量100 mJ、重頻250 Hz、光譜帶寬0.6 nm、脈寬700 ps（未壓縮）[9]。

圖12 基于4f 中繼成像+萬花筒系統(tǒng)的碟片12 通放大器[20]Fig.12 Thin-disk 12-pass amplifier based on a 4f relay imaging + kaleidoscope system[20]

2.3 雙中繼成像系統(tǒng)

基于中繼成像系統(tǒng)的多通放大器為實現(xiàn)更大的放大次數(shù)，需要更大尺寸的透鏡或拋物面鏡，系統(tǒng)體積隨之增大。為縮小系統(tǒng)體積，俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理研究所Perevezentsev E 等[13]給出雙中繼成像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計概念，其光路原理如圖13 所示。他們利用K?rner J 等[16]提出的概念，使用1 個補償鏡代替1 個拋物面鏡+1 個補償鏡，進一步縮小系統(tǒng)體積。作者使用Yb:YAG 碟片雙中繼成像64 通放大器，將平均功率為5 W、脈寬為2 ns 的入射激光放大至50 W，光光轉(zhuǎn)換效率約10%，脈沖重復(fù)頻率為10 kHz。

圖13 基于雙4f 中繼成像系統(tǒng)的碟片64 通放大器[13]Fig.13 Thin-disk 64 pass amplifier based on a dual 4f relay imaging system[13]

3 基于激光器諧振腔設(shè)計/光學(xué)傅立葉變換概念的多通放大器

3.1 基于激光器諧振腔設(shè)計的多通放大器

基于激光器諧振腔設(shè)計的多通放大器是通過疊加多個穩(wěn)定諧振腔得到的，諧振腔之間通過反射鏡陣列連接。如圖14（彩圖見期刊電子版）為德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所Antognini A 等[21]實現(xiàn)的24 通放大器。其中，14(a)、14(b)分別是放大器的俯視圖與側(cè)面圖，鏡片K1、K2與碟片構(gòu)成一個穩(wěn)定諧振腔，利用24 個平面反射鏡構(gòu)成的反射鏡陣列實現(xiàn)12 個穩(wěn)定諧振腔的串聯(lián)，即實現(xiàn)24 通放大器。與基于4f中繼成像的多通放大器相比，在系統(tǒng)內(nèi)最小光斑尺寸相同的前提下，該系統(tǒng)受碟片熱透鏡效應(yīng)的影響更小，且相同放大次數(shù)所需的光程更小，因此系統(tǒng)更緊湊。作者使用該多通放大器將12 mJ、30 ns 脈沖放大至48 mJ，脈沖重復(fù)頻率為850 Hz。2013 年，Schuhmann K 將輸出能量提升至150 mJ[22]。

圖14 24 通放大器的光路示意圖。（a）光路連續(xù)通過1-disk-2-K2-3-disk-4-K1-5-disk-6-K2-7。其中：1～7 代表圖14（b）中的鏡片編號；K1、K2 分別表示凹面反射鏡K1 與凸面反射鏡K2；K1—K2 定義了光學(xué)穩(wěn)定腔。（b）反射鏡陣列編號與其他元件的側(cè)面投影位置Fig.14 Schematic diagram of the optical path of the 24-pass amplifier.(a) The optical path passes continuously through 1-disk-2-K2-3-disk-4-K1-5-disk-6-K2-7, where 1-7 represents the mirror numbers in Figure 14 (b), K1 and K2 represent the concave mirror K1 and convex mirror K2, respectively.K1-K2 defines the optical stable cavity.(b) The reflector array number and the lateral projection position of other elements

2009 年，德國馬克斯波恩研究所Tümmler J等[23]展示了類似的24 通放大器，將90 mJ、2 ns脈寬的啁啾脈沖放大至320 mJ，重頻100 Hz。

3.2 基于光學(xué)傅立葉變換概念的多通放大器

碟片晶體存在泵浦區(qū)域與未泵浦區(qū)域，因此沿碟片晶體徑向存在位置相關(guān)的增益，通常也稱為“軟光闌”[24]。軟光闌入射與出射的光斑半徑滿足公式（1）：

其中，win為入射光斑半徑；wout為出射光斑半徑；W2為高斯孔徑光強透射函數(shù)的1/e2半徑。

雖然4f中繼傳輸系統(tǒng)本身不改變傳輸前后的光斑半徑，但由于碟片晶體本身存在“軟光闌”效應(yīng)，故每次通過碟片晶體后，光束的光斑均會變小。

基于4f中繼成像多通放大器的另一個更重要的缺點是輸出光束的發(fā)散角強烈依賴于碟片晶體的光焦度變化ΔV。出射光束的波前曲率半徑R與ΔV的關(guān)系為

為解決該問題，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工Schuhmann K 等[24]提出一種基于光學(xué)傅立葉變換的多通放大器。其輸出光斑與波前曲率倒數(shù)隨碟片晶體光焦度的變化如圖15（彩圖見期刊電子版）所示。可見在很大的光焦度變化范圍內(nèi)，輸出光斑與波前曲率倒數(shù)的變化非常小。

圖15 16 通4f 放大器與光學(xué)傅立葉傳輸多通放大器的（a）輸出光斑與（b）波前曲率倒數(shù)隨碟片晶體光焦度的變化。紅色虛線代表4f 多通放大器，藍色實線代表光學(xué)傅立葉傳輸多通放大器，灰色實線代表理想情況的光學(xué)傅立葉傳輸多通放大器[24]Fig.15 Variation in (a) output spot and (b) wavefront curvature inverse with a diopter of thin-disk for the 16-pass 4f amplifier and optical Fourier transmission multi-pass amplifier.The red dashed line represents the 4f multi-pass amplifier, the blue solid line represents the optical Fourier transmission multi-pass amplifier, and the gray solid line represents the optical Fourier transmission multi-pass amplifier in ideal circumstances[24]

圖15 中紅色虛線表示16 通4f多通放大器的輸出光斑半徑與波前曲率倒數(shù)隨碟片晶體光焦度的變化，可見輸出光斑wout與輸入光斑win相比顯著減小；波前曲率倒數(shù)對碟片晶體光焦度的變化非常敏感，幾乎呈垂直變化。因此，作者指出基于中繼成像的放大器非常適合熱透鏡較小的低功率激光器，但不適合具有良好輸出光束質(zhì)量的高功率激光器[24]。

該系統(tǒng)的特點是：（1）必須通過碟片晶體偶數(shù)次；（2）變換系統(tǒng)的焦距需滿足：

基于光學(xué)傅立葉傳輸?shù)? 通放大器的光束傳播路徑如圖16（彩圖見期刊電子版）所示?？梢?，輸出光束的半徑、發(fā)散角幾乎與輸入光束保持一致。根據(jù)公式(3)可知，光束半徑win=5.4 mm，波長λ=1 030 nm，則變換系統(tǒng)焦距F=90 m。為縮短系統(tǒng)長度，作者利用伽利略望遠鏡概念，令碟片晶體作為望遠鏡的一部分，配合望遠鏡的另一個鏡片，成功將F縮短至1.72 m。兩個光學(xué)傅立葉傳輸系統(tǒng)之間使用4f系統(tǒng)來保證通過碟片晶體數(shù)為偶數(shù)次，其傳輸過程如圖17（彩圖見期刊電子版）所示。

圖16 基于光學(xué)傅立葉傳輸?shù)? 通放大器的光束傳播。（黑線代表碟片晶體光焦度為0，紅線和藍線代表碟片晶體光焦度分別為±1/(40f)的光束傳播，f 為4f 系統(tǒng)的焦距）[24]Fig.16 Beam propagation of an 8-pass amplifier based on optical Fourier transmission.(The black line represents the diopter of the thin-disk at 0.The red and blue lines represent the diopter of the thin-disk are ±1/(40f), and f is the focal length of the 4f system)[24]

圖17 實際使用的光學(xué)傅立葉變換8 通放大器的光束傳播縮短了傳輸距離。（黑線代表碟片晶體光焦度為0，紅線和藍線代表碟片晶體光焦度=±1/(40f)對應(yīng)的光束傳播，f 為4f 系統(tǒng)的焦距）[24]Fig.17 Beam propagation of a practical optical Fourier transform 8-pass amplifier that shortens the transmission distance.(The black line represents the diopter of the thin-disk at 0.The red and blue lines represent the diopter of the thin-disk = ±1/(40f),and f is the focal length of the 4f system)[24]

2019 年，該課題組基于傅立葉變換傳輸，設(shè)計了40 通放大器，其光路如圖18（彩圖見期刊電子版）所示，得到30倍的小信號增益，光束質(zhì)量因子M2=1.16[25]。

圖18 20 通放大器的（a）俯視[25]、（b）立體光路圖與（c）鏡片陣列實物圖[25]Fig.18 (a) Top view[25], (b) stereo optical path diagrams,and (c) physical view of the lens array[25] of the 20-pass amplifier

同年，該課題組進一步分析基于傅立葉變換傳輸?shù)亩嗤ǚ糯笃鲗τ谑?zhǔn)的穩(wěn)定性[26]。多通放大器的失準(zhǔn)有兩方面原因：（1）入射光未對準(zhǔn)；（2）碟片晶體前端空氣受熱對流帶來的光學(xué)楔角。為減小空氣楔角，Negel J P 等[27]提出使用垂直方向的后向反射鏡（如圖19(a)）代替平面鏡，從而降低光路高度，減小熱空氣導(dǎo)致的光學(xué)楔角帶來的光路偏離；另一方面，與平面鏡相比，后向反射鏡可倒置角度和偏移（如圖19(b)，彩圖見期刊電子版），從而被動補償光路偏斜[26]。該課題組分析了傅立葉傳輸多通放大器、后向反射鏡代替其中一個平面反射鏡、加入主動校準(zhǔn)裝置（如圖20，彩圖見期刊電子版）這3 種情況的失準(zhǔn)穩(wěn)定性，結(jié)果如圖21（彩圖見期刊電子版）所示，可見，傅立葉傳輸多通放大器具有一定的抗失準(zhǔn)穩(wěn)定性，加入垂直后向反射鏡可將失準(zhǔn)穩(wěn)定性提升4 倍，加入主動穩(wěn)定系統(tǒng)可將失準(zhǔn)穩(wěn)定性提升1 個量級[26]。圖21 中，對于具有主動穩(wěn)定系統(tǒng)的放大器，反射鏡M2 已被替換為具有稍高透射率的反射鏡，以從Q1 和Q2 生成穩(wěn)健的誤差信號。這會降低放大器的整體增益，但不會改變其傾斜依賴性。

圖19 （a）垂直后向反射鏡實物圖[26]，（b）垂直后向反射鏡與平面反射鏡的光路對比Fig.19 (a) Physical drawing of the vertical retroreflector[26]; (b) comparison of the optical path between the vertical retro-reflector and the plane reflector

圖20 配備主動穩(wěn)定系統(tǒng)的傅立葉傳輸多通放大器[26]Fig.20 Fourier transmission multi-pass amplifier with an active stabilization system[26]

圖21 測量的3 個八通放大器的小信號增益與碟片偏角? 的關(guān)系。紅色線代表常規(guī)傅立葉傳輸多通放大器，藍色符號取自相同放大器但M2 鏡片被垂直后向反射鏡代替，綠色符號代表配備主動穩(wěn)定系統(tǒng)的傅立葉傳輸多通放大器[26]Fig.21 The relationship between the small signal gain of three eight-pass amplifiers and the measured deflection angle of the thin-disk.The red symbols represent conventional Fourier transmission multipass amplifiers, the blue symbols are taken from the same amplifiers but with the M2 lens being replaced by a vertical rearward reflector, and the green symbols represent the Fourier transmission multi-pass amplifiers equipped with an active stabilization system[26]

該作者表示，之前部分報道的文獻[21, 24,28-31]也屬于光學(xué)傅立葉變換概念。

4 基于近準(zhǔn)直光束傳輸?shù)亩嗤ǚ糯笃?/h2>

基于Antognini A 等[21]的多通放大器方案，德國斯圖加特大學(xué)Negel J P 等展示了近準(zhǔn)直光傳輸?shù)?0 通放大器，其不同之處在于除碟片晶體外，放大器內(nèi)的所有鏡片均為平面鏡，而碟片晶體的曲率半徑很大，因此允許光束在系統(tǒng)內(nèi)進行超過20 次的近準(zhǔn)直傳播。其優(yōu)勢在于最大限度地減少非線性效應(yīng)并防止高峰值功率下的光學(xué)器件損傷。使用該放大器，該作者直接放大脈寬7 ps、平均功率50 W、重頻800 kHz 入射光，得到平均功率為264 W 激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為23.5%[32]。同年，該作者改進放大器的設(shè)計方案，使用1/4λ波片與薄膜偏振片使激光反向放大，放大通數(shù)從40 通倍增至80 通，光路如圖22 所示[27]。為盡量減少實驗過程中空氣湍流的影響，整個放大器周圍有一個由丙烯酸玻璃制成的密封外殼，將裝置與外部氣流隔離。使用后向反射鏡對代替平面鏡，從而降低光路高度，減小熱空氣導(dǎo)致的光學(xué)楔角帶來的光路偏離，最終得到平均功率為1 105 W、脈寬為7.3 ps、重頻為800 kHz 的激光輸出，光束質(zhì)量M2=1.25，光光轉(zhuǎn)換效率為44%[27]。2014 年，該作者將平均輸出功率提升至1 327 W，重頻為300 kHz，光光轉(zhuǎn)換效率為45%[33]。2015 年，該課題組將平均輸出功率提升至1 420 W，重頻為300 kHz，光光轉(zhuǎn)換效率為48%[34]。同年，該課題組得到平均功率為635 W、重頻為300 kHz 的徑向偏振激光，光光轉(zhuǎn)換效率為30%[35]。2016 年，該課題組初步展示了平均輸出功率為2 kW，重頻為300 kHz 皮秒激光的實驗結(jié)果[36]。2017 年，該課題組展示了飛秒脈沖直接放大的60 通放大器，得到平均功率為400 W、重頻為200 kHz、脈寬為885 fs、峰值功率為2.0 GW 的脈沖輸出。通過使用線性-徑向偏振轉(zhuǎn)換器，該作者獲得了平均功率為235 W、脈寬為888 fs、峰值功率為1.2 GW 的徑向偏振脈沖光[37]。2020 年，該課題組使用2 級串聯(lián)60 通放大器，將105 W 種子光放大至2 050 W，重頻為300 kHz，脈寬為7.7 ps，光束質(zhì)量M2=1.5。為隔離種子光，放大器只進行了單向放大，未使用1/4 λ 波片與薄膜偏振片使激光反向放大[38]。同年，該課題組使用單向80 通放大器，直接放大重頻為1 278 kHz、脈寬為266 fs、平均功率為50 W 的種子光，得到平均功率為528 W、脈寬為272 fs 激光輸出[39]。

圖22 近準(zhǔn)直光束傳輸多通放大器光路圖[27]Fig.22 Optical path diagram of the near collimated beam propagation multi-pass amplifier[27]

2020 年，通快激光有限公司Thomas Dietz等[40]展示針對工業(yè)應(yīng)用的多通碟片放大器，其特點是配備具有卓越熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性的單片反射鏡陣列，如圖23（彩圖見期刊電子版）所示，單片反射鏡陣列包含34 個45°平面鏡，通過一個單獨的對準(zhǔn)設(shè)備將34 個鏡片預(yù)對準(zhǔn)，入射光束單次通過放大器時，可以被碟片晶體反射18 次（即36 通），使用偏振片與波片，入射光可反向再次通

圖23 皮秒多通放大器的（a）整體光路布局、（b）多通池光路圖與（c）鏡片單陣列實物圖[40]Fig.23 (a) Overall optical path layout of picosecond multipass amplifier, (b) optical path of a multipass cell and (c) picture of a single array of mirrors[40]

過放大器，即被碟片晶體反射36 次。圖23 展示的第一級放大器將20 W 入射光放大至500 W，第二級放大器將功率繼續(xù)放大至1.9 kW，脈寬為1.3 ps、重頻為400 kHz、單脈沖能量為4.8 mJ，光束質(zhì)量M2=2.3。該激光器還可工作在脈沖簇模式，每個脈沖簇包含4 個間距20 ns 的脈沖，脈沖簇重復(fù)頻率為25 kHz，脈沖簇能量為46.7 mJ，對應(yīng)單脈沖能量為11.7 mJ。

該工作的另一個亮點是在系統(tǒng)內(nèi)其他鏡片均為平面鏡的情況下，通過優(yōu)化碟片晶體曲率半徑，使系統(tǒng)內(nèi)光路維持近準(zhǔn)直的光束傳播，如圖24（彩圖見期刊電子版）所示。

圖24 皮秒多通放大器光路中的光斑半徑分布[40]Fig.24 Spot radius distribution in the optical path of the picosecond multi-pass amplifier[40]

2020 年，德國通快科學(xué)激光有限公司Herkommer C 等[41]展示了由4 個商用碟片泵浦頭構(gòu)成的多通放大器，光路如圖25（彩圖見期刊電子版）所示。其中2 個泵浦頭組成第一級放大器，激光被每個泵浦頭放大7 次（14 通），剩余2 個泵浦頭組成第二級放大器，激光被每個泵浦頭放大4 次（8 通），每個泵浦頭的泵浦功率為2.3 kW，泵浦是占空比為25%、波長為940 nm 的準(zhǔn)連續(xù)光。注入的激光能量為240 mJ、脈寬為1 ns，被放大至800 mJ，脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，最終使用光柵將脈寬壓縮至920 fs，脈沖能量為720 mJ，光束質(zhì)量M2=2.1，能量穩(wěn)定性為0.76% RMS。

圖25 720 mJ 皮秒激光器整體光路圖[41]Fig.25 Overall optical path of the 720 mJ picosecond laser[41]

該作者也將本方案與其他多通放大器設(shè)計概念相比較，指出：（1）4f結(jié)構(gòu)將碟片所在平面連續(xù)中繼成像，這有利于在碟片上保持穩(wěn)定的模式直徑[42]，然而，對于強激光脈沖，光路的焦點需要在真空中操作，以防止由于空氣電離引起的光擊穿；（2）可以通過串聯(lián)諧振腔來實現(xiàn)穩(wěn)定的傳播，但是代價是沿傳播的某些位置的光束直徑很小，或者傳播距離很長[24,28]；（3）通過平衡光束的周期性發(fā)散與聚焦來實現(xiàn)光束的近準(zhǔn)直傳輸，這需要精心選擇碟片晶體的光焦度[37,40]。而該作者最終對于工作點的碟片熱透鏡，精心設(shè)計光路，實現(xiàn)光束的近準(zhǔn)直傳輸。

5 其他類型的多通放大器

2015 年，德國馬克斯波恩研究所Jung R 等[43]設(shè)計的大口徑環(huán)形放大器，使用2 個Yb:YAG碟片模塊，系統(tǒng)光路如圖26 所示，使用真空空間濾波器濾除高階橫模。注入激光脈寬為1 ns、能量為300 mJ，通過碟片4 次后，能量放大至1.07 J，能量穩(wěn)定性為0.4% RMS，脈沖重復(fù)頻率為100 Hz。

圖26 碟片大口徑環(huán)形放大器光路圖[43]Fig.26 Optical path diagram of the thin-disk large-aperture ring amplifier[43]

6 討論

本文概述了部分高能碟片多通放大器的研究進展，根據(jù)成像原理，可分為：基于4f中繼成像的多通放大器；基于激光器諧振腔設(shè)計/光學(xué)傅立葉變換概念的多通放大器、基于近準(zhǔn)直光束傳輸?shù)亩嗤ǚ糯笃骱推渌愋偷亩嗤ǚ糯笃鞴? 類。圖27 整理了部分公開報道的碟片多通放大器輸出激光參數(shù)，分析其中數(shù)據(jù)可得到如下結(jié)論：

圖27 部分已報告的多通放大器輸出激光參數(shù)。（a）脈沖重頻vs 脈沖能量，（b）脈沖寬度vs 峰值功率，（c）平均輸出功率vs 峰值功率Fig.27 The output laser parameters of some reported multi-pass amplifiers.(a) Pulse repetition frequency vs pulse energy, (b) pulse width vs peak power, and (c) average output power vs peak power

（1）在同時保持重頻與脈沖能量方面，按指標(biāo)排序為近準(zhǔn)直傳輸>4f中繼成像>諧振腔設(shè)計>其他；

（2）同時保持脈寬與峰值能量方面，近準(zhǔn)直傳輸>4f中繼成像> 其他>諧振腔設(shè)計；

（3）同時保持平均功率與峰值功率方面，近準(zhǔn)直傳輸>4f中繼成像> 其他>諧振腔設(shè)計。

綜上所述，現(xiàn)階段基于近準(zhǔn)直傳輸、4f中繼成像的碟片激光器的綜合指標(biāo)好于諧振腔設(shè)計與其他類型。在單項指標(biāo)方面，近準(zhǔn)直傳輸、4f中繼成像、其他類型碟片激光器均實現(xiàn)近1 J 激光輸出，而其中近準(zhǔn)直傳輸?shù)す馄鬏敵鼋? TW峰值功率。

表2 總結(jié)了各個方案的優(yōu)缺點，4f中繼成像系統(tǒng)由于在任何熱透鏡焦距下，均能復(fù)現(xiàn)光斑尺寸，因此光路設(shè)計簡單，但光束發(fā)散角隨熱透鏡焦距變化劇烈，光束焦點劇烈壓縮而電離空氣，需要真空環(huán)境運行或令焦點位于真空管內(nèi)。

表2 4 種碟片多通放大器的優(yōu)缺點Tab.2 Advantages and disadvantages of four types of thin-disk multi-pass amplifiers

4f中繼成像系統(tǒng)中的低溫制冷方案將增益介質(zhì)維持在<100 K 溫度，相比常溫，Yb:YAG 的吸收截面與發(fā)射截面峰值強度分別提升至約3 倍與5 倍，單次增益高，因此僅需較少的放大次數(shù)，光路設(shè)計簡單。其缺點是需要液氮等低溫制冷介質(zhì)，同時需要真空環(huán)境。

諧振腔設(shè)計/光學(xué)傅立葉變換設(shè)計的優(yōu)點是抗熱透鏡變化性能優(yōu)于4f中繼成像系統(tǒng)，因此系統(tǒng)對于熱透鏡變化相對不敏感，利于長時間穩(wěn)定運行。但是，系統(tǒng)內(nèi)部鏡片存在較小光斑，因此對于鏡片的損傷閾值要求較高。目前多停留在理論階段。

近準(zhǔn)直光束傳輸方案由于近準(zhǔn)直傳輸特性，光束能量密度遠離空氣擊穿閾值，因此不需要真空環(huán)境，在實驗室空氣環(huán)境可實現(xiàn)720 mJ 能量輸出。其缺點是在特定泵浦功率下，碟片晶體需要維持在大曲率聚焦?fàn)顟B(tài)，使得光束在近準(zhǔn)直狀態(tài)傳輸，這對碟片晶體的設(shè)計與選取要求苛刻。

7 結(jié)束語

綜合來看，近準(zhǔn)直傳輸方案似乎是最有前景的碟片激光多通放大器方案，但其使用難度依然較高。其他方案的多通放大器也有各自的困難，例如4f中繼成像多通放大器需要的真空環(huán)境阻礙其應(yīng)用范圍，諧振腔設(shè)計多通放大器鏡片中較小光斑阻礙能量繼續(xù)提升等。未來，隨著碟片制冷工藝的提升與泵浦、碟片面形的優(yōu)化設(shè)計，近準(zhǔn)直傳輸方案將獲得量級的性能提升。而其他方案仍需要設(shè)計方法的優(yōu)化演進，從而實現(xiàn)輸出激光性能的有效提升。