高功率飛秒激光聚焦后的功率密度非常大，可以輕而易舉地誘導幾乎任何材料的分子價鍵斷裂和原子電離，由此造成的相變等不可逆轉(zhuǎn)的物態(tài)、物性變化為超快激光材料加工提供了物理基礎。由于強度高，超快激光加工具有材料廣譜性，對象包括金剛石、藍寶石、玻璃、半導體、金屬、陶瓷和高分子等各種材料。由于激發(fā)過程超快，避免了熱弛豫，從而使超快激發(fā)成為一個準絕熱過程。傳統(tǒng)的 3D 打印機用的都是納秒脈沖激光器，加工一些低溫材料還可以，如果要加工更高溫度的材料，需要更大的激光功率，這時候產(chǎn)生的熱應力就會影響到打印的效果。采用飛秒激光進行 3D 打印，幾乎不會產(chǎn)生熱應力，在制造更致密的零件方面就具有先天優(yōu)勢。目前，超快激光微加工已經(jīng)在消費電子、生物醫(yī)療、航空航天、信息技術、新能源、新材料等產(chǎn)業(yè)得到應用。

目前商品化的高功率飛秒激光器主要包括鈦寶石激光器和光纖激光器。鈦寶石激光器非常成熟，但價格及其昂貴。光纖激光器由于具有非常高的非線性效應，高功率輸出下脈沖寬度較長（>500 fs），在特殊材料切割，異形孔加工等方面仍存在加工精度不足，加工速度較慢等問題。相比之下， 全固態(tài)飛秒激光器具有單脈沖能量大、脈沖寬度窄（<100 fs）、成本低廉等特點，不僅可以實現(xiàn)對特種材料的精細加工（玻璃、陶瓷、特種脆性材料），而且在激光醫(yī)學（齒科、眼科、結石手術）等領域也表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，具有極大的應用前景。因此，開發(fā)高功率全固態(tài)飛秒激光器具有重要應用。

高功率超短脈沖激光在精密激光微納制造等工業(yè)和科研領域已經(jīng)嶄露頭角。本項目基于全固態(tài)飛秒激光技術開發(fā)可用于特種材料精細加工以及多光子實時顯微成像的高平均功率、窄脈沖寬度以及高重復頻率的全固態(tài)飛秒激光器。我們在激光二極管（LD）泵浦的摻鐿全固態(tài)飛秒激光器方面開展了深入的研究，研制成功了多款高功率、窄脈寬全固態(tài)飛秒激光振蕩器（如圖 1）和放大器（如圖 2），激光指標國際先進、國內(nèi)領先。對標國際知名激光品牌立陶宛 Light Conversion 公司系列產(chǎn)品，擬基于已有的高功率窄脈沖克爾透鏡鎖模全固態(tài)飛秒激光器開展全固態(tài)飛秒激光器的產(chǎn)業(yè)化研究。通過優(yōu)化全固態(tài)飛秒激光器單元器件技術、激光系統(tǒng)整機工程工藝設計、質(zhì)量控制和集成化研究，研制成功結構小、效率高、穩(wěn)定可靠的高功率全固態(tài)飛秒激光器。

圖1. 高功率窄脈沖飛秒振蕩器原理樣機及輸出參數(shù)

圖2. 全固態(tài)飛秒放大器實物照片

高功率泵浦下熱管理技術

一方面高平均功率的飛秒激光輸出需要高功率連續(xù)激光泵浦，另一方面摻鐿全固態(tài)飛秒激光器的光光效率一般為 10%-30%，因此晶體吸收的很大一部分泵浦光會轉(zhuǎn)化為熱量。為了緩解熱積累對飛秒鎖模激光光束質(zhì)量、功率穩(wěn)定性的影響，需要對晶體進行有效熱管理。我們已經(jīng)掌握該核心技術，圖 3 所示為我們利用已申請專利的熱管理方案，在 100 W 泵浦功率下可實現(xiàn)>20 W 平均功率輸出，且光束質(zhì)量優(yōu)于 1.2，功率抖動小于 0.5%。

圖3. 100W功率泵浦下（吸收效率 57%）飛秒放大器可輸出20W平均功率，光束質(zhì)量優(yōu)于1.2

高功率克爾透鏡鎖模技術LD 泵浦的全固態(tài)飛秒激光器產(chǎn)生窄脈沖輸出的主要技術手段是克爾透鏡鎖模技術。我們利用克爾透鏡鎖模技術從摻鐿全固態(tài)飛秒激光器中可獲得最短 33 fs 的脈沖（Photonics Research 3(6), 335 (2015)）。但傳統(tǒng)的克爾透鏡鎖模激光器輸出功率一般在——100 mW 量級，限制了其在許多領域的應用。我們發(fā)展了一種新的雙聚焦諧振腔結構，使得高功率激光輸出和克爾透鏡鎖?？梢酝瑫r得到保證。利用 LD 直接泵浦，我們在 Yb:CYA 激光器中得到了平均功率 1.5 W、脈沖寬度 68 fs 的結果，比之前的輸出功率提高了一個數(shù)量級。相關研究成果發(fā)表在Photonics Research 6(2), 127 (2018（) 中科院I 區(qū)），2019 年授權發(fā)明專利一件（一種LD 泵浦的高功率克爾透鏡自鎖模激光器，ZL 2017 1 0568672.6），見圖 4 所示。

圖4. 基于雙共焦腔的高功率克爾透鏡鎖模激光器

通過進一步優(yōu)化腔型設計，實現(xiàn)了平均功率 6.2W、脈沖寬度 59fs 和平均功率 10W、脈沖寬度 97fs 的高功率窄脈寬克爾透鏡鎖模運轉(zhuǎn)，其最高單脈沖能量 124nJ，峰值功率達 1.85MW，是目前塊狀 Yb 全固態(tài)飛秒激光器中得到的最高峰值功率，相關成果發(fā)表在 Optics Express 27, 21448 (2019)和Optics Letters 46, 1297 (2021)。