Значительный прогресс в области дисковых лазеров в Китае 

Значительный прогресс в области дисковых лазеров в Китае

Сверхбыстрые лазеры служат незаменимым инструментом в прецизионном производстве, физике сильных полей и передовых научных исследованиях; повышение их рабочих характеристик в значительной степени зависит от прорывов в области активных сред и технологий терморегулирования. Недавно группа исследователей под руководством Жуань Шуанчэня, Лю Сина и Сюй Сычжи из Шэньчжэньского технологического университета (SZTU) добилась значительного прогресса в области создания новых широкополосных дисковых лазеров на основе кристалла Yb:CALGO. Они самостоятельно разработали дисковый лазер на Yb:CALGO с 48-проходной схемой накачки, достигнув выходной мощности в непрерывном режиме (CW) на уровне сотен ватт. Тем самым был открыт новый технический путь для разработки мощных лазерных систем со сверхкороткими импульсами.

Благодаря превосходным возможностям отвода тепла дисковые лазеры обладают явными преимуществами в достижении высокой средней мощности и высокой энергии выходного излучения; они широко признаны в качестве ключевого технологического направления в области сверхбыстрых лазеров. В настоящее время традиционные активные среды на основе Yb:YAG позволяют достигать выходной мощности киловаттного уровня; однако, из-за ограничений, обусловленных относительно узкой полосой излучения этого кристалла (около 9 нм), длительность импульсов обычно остается в диапазоне нескольких сотен фемтосекунд, что затрудняет дальнейшие прорывы в направлении получения еще более коротких импульсов.

В отличие от них, кристаллы Yb:CALGO характеризуются широким и плоским спектром излучения (около 80 нм), что дает явные преимущества при непосредственной генерации сверхкоротких импульсов длительностью менее 50 фс. Следовательно, они рассматриваются как важнейший материал для следующего поколения активных сред сверхбыстрых лазеров. Тем не менее, этот материал создает серьезные технические трудности, связанные с выращиванием кристаллов, изготовлением и соединением дисков, а также их эксплуатацией в условиях высоких тепловых нагрузок; долгое время ключевые технологии в этой области находились в исключительном владении зарубежных организаций.

Для решения этих задач SZTU наладил сотрудничество с компанией Han’s Laser в рамках совместных исследований. Им удалось успешно разработать дисковый кристалл Yb:CALGO толщиной всего 200 мкм и диаметром 9 мм. Кроме того, они создали комплексную систему терморегулирования, сочетающую алмазный теплоотвод с системой охлаждения путем струйного обдува водой. Одновременно с этим они внедрили архитектуру накачки с 48 проходами для повышения эффективности терморегулирования в условиях работы на высокой мощности, тем самым создав экспериментальную платформу для мощных дисковых лазеров на Yb:CALGO, работающих в непрерывном режиме. Результаты экспериментов продемонстрировали, что при мощности накачки 322 Вт система обеспечила выходную мощность лазерного излучения в непрерывном режиме (CW) на уровне 102 Вт. Максимальная эффективность преобразования «оптика-оптика» достигла 30,9%, при этом дифференциальная эффективность составила 35,8%. При данной мощности накачки температура поверхности диска оставалась на уровне всего 74,2°C, что свидетельствует о том, что общее тепловое состояние системы находилось под надежным контролем. Ширина спектральной полосы выходного излучения составляет приблизительно 10 нм, что отражает превосходные характеристики широкополосной эмиссии кристалла Yb:CALGO.

Эти результаты демонстрируют, что кристаллы Yb:CALGO дискового типа отечественного производства теперь способны работать в режиме высокой мощности, закладывая прочную основу для последующего создания лазерных систем с еще более высокой мощностью и сверхкороткими импульсами (<50 фс). Ожидается, что в будущем данная технология найдет широкое применение в таких областях, как прецизионное производство, обработка полупроводников, аттосекундная физика и физика сильных полей, способствуя тем самым совершенствованию отечественного высокотехнологичного лазерного оборудования и развитию передовых производственных возможностей страны. В настоящее время исследовательская группа проводит дальнейшие изыскания в области систем, основанных на дисковых генераторах с синхронизацией мод на кристаллах Yb:CALGO и методе усиления чирпированных импульсов (CPA); основное внимание при этом уделяется решению таких ключевых задач, как генерация импульсов длительностью менее 50 фс, усиление излучения до высокой средней мощности и подавление тепловых эффектов.