高功率固體激光放大器普遍存在著熱效應(yīng)問(wèn)題，制約激光功率的提升、引起激光光束質(zhì)量的劣化。
這種熱效應(yīng)來(lái)源于固體激光介質(zhì)（摻稀土離子的激光晶體）吸收泵浦光能量后轉(zhuǎn)化出來(lái)的熱能，對(duì)激光晶體的有效散熱可緩解熱效應(yīng)，而激光晶體的形狀也影響著熱效應(yīng)的程度。采用散熱面幾何厚度較小、散熱面積較大的激光晶體結(jié)構(gòu)更容易提高熱導(dǎo)率，提升散熱效果；因此數(shù)百瓦固體激光放大器采用薄片狀或板條狀的激光晶體。其中板條激光放大器的系統(tǒng)復(fù)雜性相對(duì)較為簡(jiǎn)單，激光晶體被制成薄板狀，信號(hào)光和泵浦光都被整形成扁平光斑注入板條晶體；待放大的信號(hào)光一般整形為扁橢圓狀光斑入射到板條放大晶體中，在晶體兩側(cè)的平面反射鏡來(lái)回反射穿過(guò)多次板條晶體，實(shí)現(xiàn)多通放大；或是入射的圓形信號(hào)光斑在板條晶體兩側(cè)的球面反射鏡來(lái)回反射過(guò)程中逐漸被球面反射面擴(kuò)展為橢圓形，并反復(fù)穿過(guò)板條晶體獲得功率放大。
這兩種光斑整形措施都需要球面透鏡或球面反射鏡，甚至搭建共焦非穩(wěn)腔來(lái)約束光束的轉(zhuǎn)折，這些措施均會(huì)引入球差影響光束質(zhì)量，球面光學(xué)系統(tǒng)也增加了放大器光路設(shè)計(jì)、調(diào)試復(fù)雜性。針對(duì)飛秒激光脈沖的寬光譜特性，通過(guò)采用面光柵的衍射效應(yīng)使不同光譜成分的光波沿著不同衍射角傳輸，從而在空間上分開(kāi)了不同光譜的光波的傳輸路徑，形成以一定角度發(fā)散傳輸?shù)墓獍?，在空間構(gòu)成橫向的扁平狀類橢圓形光斑。這種發(fā)散傳輸?shù)谋馄筋悪E圓光斑作為板條固體激光放大器的入射信號(hào)光束進(jìn)入板條晶體獲得放大。以光柵作為光束擴(kuò)展橫向尺寸的整形器件也簡(jiǎn)化了信號(hào)光整形手段，消除了傳統(tǒng)球面光學(xué)整形器件的球差問(wèn)題。
該激光系統(tǒng)前端的信號(hào)光光源為低功率啁啾脈沖光纖激光器，激光中心波長(zhǎng)1030nm，脈寬數(shù)十皮秒，其光譜半高全寬度5nm，能夠支持在色散補(bǔ)償后被壓縮至數(shù)百飛秒脈寬；信號(hào)光源輸出激光平均功率5瓦，光束直徑2.2mm，線偏振光，偏振方向水平。后續(xù)的板條放大器光路系統(tǒng)如圖1，包括偏振態(tài)轉(zhuǎn)換裝置、衍射光束整形裝置、增益放大裝置、光束回返裝置。
圖1. 基于衍射光束整形的板條放大器光路示意圖
偏振態(tài)轉(zhuǎn)換光路通過(guò)將回返光偏振方向相對(duì)入射光偏振方向正交，實(shí)現(xiàn)將雙通放大回返光從偏振器件輸出；即在信號(hào)激光束的傳播路徑上放置偏振分光棱鏡（PBS），水平偏振的入射光束正好與PBS的p光偏振方向一致，低損耗穿過(guò)PBS，受到其后λ/2波片的旋轉(zhuǎn)偏振方向，呈相對(duì)水平方向45度角度入射向法拉第旋光器；該旋光器將入射光的偏振方向再旋轉(zhuǎn)45度，回到了水平偏振方向，與衍射光柵的最佳衍射效率偏振方向一致。衍射光束整形光路設(shè)置一個(gè)縮束望遠(yuǎn)鏡，將光束直徑縮小至0.75mm，縮束后的光束依然以最小發(fā)散角入射光柵；該光柵為透射式光柵，不同波長(zhǎng)成分的光波被光柵衍射后以不同的衍射角出射，由于入射光光譜邊緣波長(zhǎng)分別是1025nm、1035nm，對(duì)應(yīng)的衍射角分別是37.73°、38.61°，所以被光柵衍射散開(kāi)后的不同波長(zhǎng)光線構(gòu)成的發(fā)散光束發(fā)散角約0.88°，傳輸?shù)迷竭h(yuǎn)，光斑橫向散開(kāi)越大，逐漸呈扁橢圓形光斑。
放大系統(tǒng)中的增益介質(zhì)為板條狀（14mm×10mm×1mm）的Yb:YAG晶體，信號(hào)光和泵浦光均從14mm×1mm的面入射進(jìn)入晶體；板條激光晶體兩側(cè)分別放置矩形平面反射鏡，面向板條晶體的鍍膜特征為HR1000~1080nm&AR940±10nm，達(dá)到將信號(hào)光反復(fù)多次反射進(jìn)入激光晶體、而泵浦光一次性透過(guò)反射鏡被激光晶體吸收的目的。通過(guò)合理設(shè)置信號(hào)光相對(duì)矩形平面反射鏡的入射角，使呈發(fā)散狀態(tài)的信號(hào)光被一對(duì)平行放置的矩形反射鏡反射4次，實(shí)現(xiàn)4次穿過(guò)板條激光晶體，且光斑的橫向尺寸因0.88°發(fā)散角的存在而逐次增加，符合傳統(tǒng)板條放大光路中信號(hào)光的模體積隨著穿過(guò)增益介質(zhì)次數(shù)的增加而逐漸增大的要求。在940nm波長(zhǎng)泵浦光激發(fā)下，每次穿過(guò)板條激光晶體的信號(hào)光獲得一次功率放大，信號(hào)光一次穿過(guò)增益單元共計(jì)獲得四次增益，功率放大到35瓦。由于板條增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)主要作用于板條短邊長(zhǎng)方向，不影響光斑的橫向發(fā)散角，放大后激光束依然呈原來(lái)的發(fā)散角繼續(xù)傳輸。傳輸距離達(dá)到300mm，在板條放大器輸出端光斑橫向截面發(fā)散至約5mm長(zhǎng)。
使用500mm長(zhǎng)焦距平凸透鏡放置于放大光傳輸路徑中，使放大光束中心穿過(guò)透鏡中心，光束中心波長(zhǎng)路徑與透鏡光軸重合，于是放大的發(fā)散光束被透鏡準(zhǔn)直為寬度約8mm的扁橢圓形狀平行光束，沿著寬度方向（橢圓長(zhǎng)軸方向）分布著不同的光譜成分，但每個(gè)光譜成分在板條晶體中均獲得了增益。使用平面反射鏡作為光束的回返器件，置于首次放大后的準(zhǔn)直光路上，調(diào)整平面反射鏡的受光位置和角度，使入射其上的平行光束的波前與反射面近似一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的原路反射，充分接近入射光路回返到板條放大器及光柵。根據(jù)光路可逆原理，再次進(jìn)入板條激光放大器進(jìn)行4通放大，輸出功率放大到90瓦，二次放大的激光束以原有的衍射角度入射光柵，被光柵反向衍射后，不同波長(zhǎng)成分的光束以同樣的衍射角出射，回到了與入射光路同軸、傳播方向相反的路徑，實(shí)現(xiàn)不同光譜成分光束的空間再合成，恢復(fù)近圓形光斑。經(jīng)反向傳輸進(jìn)入擴(kuò)束鏡（縮束鏡反向使用）、偏振態(tài)轉(zhuǎn)換光路，最后被PBS以s光偏振分量形式反射出光路系統(tǒng)。
至此，經(jīng)過(guò)偏振態(tài)轉(zhuǎn)換、空間衍射整形、二次放大的啁啾脈沖激光完成了雙次8通板條晶體功率放大。放大動(dòng)力學(xué)曲線見(jiàn)圖2，對(duì)應(yīng)的多個(gè)階段的激光束橫模強(qiáng)度分布見(jiàn)圖3。該激光系統(tǒng)輸出的光束橫模分布圓度不理想，主要原因在于脈沖在進(jìn)行了光譜相關(guān)的空間分布展寬和放大后，不同光譜成分存在傳輸方向、偏振態(tài)的微小差異，回到光柵后未能達(dá)到完美的時(shí)空再合成。
圖2. 板條放大器的放大輸出功率與泵浦功率關(guān)系曲線
圖3. 板條放大器輸入、輸出光斑圖
奧創(chuàng)光子該技術(shù)方案針對(duì)飛秒激光的寬光譜特性，采用衍射光柵替代傳統(tǒng)的柱透鏡或共焦反射球面鏡來(lái)整形圓形截面光束為近扁橢圓形截面的光束，實(shí)現(xiàn)板條激光放大器信號(hào)光光斑整形的同時(shí)，避免了球面光學(xué)系統(tǒng)引入的球差影響光束質(zhì)量。該方案的一個(gè)突出特點(diǎn)是，入射的信號(hào)光被拉伸整形為扁橢圓形的光斑同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光譜成分按空間的排列，為插入帶通濾鏡選擇性地衰減不同光譜成分強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)二次放大前的光譜預(yù)整形做了鋪墊，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)工作將會(huì)探索這種光譜整形方式的實(shí)際效果，有望在固體高增益放大介質(zhì)中適當(dāng)緩解光譜增益窄化效應(yīng)，進(jìn)而支持脈沖壓縮器能夠輸出更窄的飛秒脈沖。
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