高功率固體激光放大器普遍存在著熱效應(yīng)問題，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)化出來的熱能，對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)雜性相對較為簡單，激光晶體被制成薄板狀，信號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)的平面反射鏡來回反射穿過多次板條晶體，實(shí)現(xiàn)多通放大；或是入射的圓形信號光斑在板條晶體兩側(cè)的球面反射鏡來回反射過程中逐漸被球面反射面擴(kuò)展為橢圓形，并反復(fù)穿過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。針對飛秒激光脈沖的寬光譜特性，通過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化了信號光整形手段，消除了傳統(tǒng)球面光學(xué)整形器件的球差問題。
該激光系統(tǒng)前端的信號光光源為低功率啁啾脈沖光纖激光器，激光中心波長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)換光路通過將回返光偏振方向相對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PBS，受到其后λ/2波片的旋轉(zhuǎn)偏振方向，呈相對水平方向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分別是1025nm、1035nm，對應(yīng)的衍射角分別是37.73°、38.61°，所以被光柵衍射散開后的不同波長光線構(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)到將信號光反復(fù)多次反射進(jìn)入激光晶體、而泵浦光一次性透過反射鏡被激光晶體吸收的目的。通過合理設(shè)置信號光相對矩形平面反射鏡的入射角，使呈發(fā)散狀態(tài)的信號光被一對平行放置的矩形反射鏡反射4次，實(shí)現(xiàn)4次穿過板條激光晶體，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光的模體積隨著穿過增益介質(zhì)次數(shù)的增加而逐漸增大的要求。在940nm波長泵浦光激發(fā)下，每次穿過板條激光晶體的信號光獲得一次功率放大，信號光一次穿過增益單元共計(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。
使用500mm長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透鏡中心，光束中心波長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)曲線見圖2，對應(yīng)的多個(gè)階段的激光束橫模強(qiáng)度分布見圖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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