【资讯】多段式复合掺杂Yb:YAG晶体助力高功率Innoslab激光放大器性能提升

       高重频、高功率超快激光是当前国际激光技术发展的重要方向，在先进制造、强场物理、高次谐波产生、精密测量以及半导体加工等领域具有广阔的应用前景。然而，随着激光输出功率不断提高，激光放大器内部增益晶体所承受的热负荷也迅速增加。由于传统均匀掺杂Yb:YAG晶体遵循指数吸收规律，泵浦光主要集中在晶体前端被吸收，使晶体内部形成较大的温度梯度和热应力，不仅降低了放大效率和光束质量，还会增加晶体发生热损伤甚至热断裂的风险。

       Innoslab放大器因其散热效率高、热透镜效应小、易于实现高平均功率输出等优点，已成为高功率超快激光的重要技术路线。然而，其整体性能仍然受到增益介质热效应的限制。因此，如何通过优化晶体结构，使泵浦能量在晶体内部更加均匀地沉积，从而降低热效应、提高放大效率，成为近年来高功率固体激光领域的重要研究课题。

       近日，中国科学院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室的研究团队提出了一种多段式复合掺杂Yb:YAG晶体结构，并首次将其应用于Innoslab激光放大器，实现了高功率、高效率、高光束质量激光输出。

       成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2026年第3期文章（Yuguang Huang, Jie Guo, Wenhao Guo, Zichen Gao, Jinfeng Li, Xiaoyan Liang, "High-power InnoSlab amplifier with a multi-segmented composite Yb:YAG crystal," High Power Laser Sci. Eng. 14, 03000e49 (2026)）。

       如图1所示，基于七通Innoslab放大系统，研究团队分别对传统2%均匀掺杂Yb:YAG晶体和新设计的2%+3%+2%多段式复合掺杂Yb:YAG晶体进行了实验比较。与传统晶体不同，多段式复合掺杂晶体通过提高中间区域掺杂浓度，使泵浦光束沿传播方向更均匀地被吸收，从而有效降低晶体内部温度梯度，为获得高输出功率奠定了基础。

图1 Innoslab激光放大器结构及多段式复合掺杂Yb:YAG晶体示意图

       图2（a）展示了多段式复合掺杂Yb:YAG晶体激光放大器在不同种子光功率下的输出性能。实验结果表明，在630 W泵浦功率、20 W种子光注入条件下，采用传统均匀掺杂晶体时输出功率达到211 W，而采用多段式复合掺杂晶体后，输出功率进一步提升至245 W，光光转换效率由33.4%提高至38.9%。与此同时，小信号增益由1.9提高到3.4，即使在低功率种子光条件下，系统依然能够获得较高的放大输出，充分体现了多段式复合掺杂晶体的优势。

图2 激光放大输出性能和光束质量

       图2（b）给出了激光输出光束质量测试结果。采用多段式复合掺杂晶体，光束质量为M²=1.21×1.25。优异的光束质量说明多段掺杂结构使晶体内部温度场更加均匀，有效缓解了热效应带来的波前畸变。图3演示了该激光器的长期稳定性，1小时连续工作下的输出功率稳定性仅为0.11%（RMS）；30分钟指向稳定性测试中，X、Y两个方向分别为7.33 μrad和7.76 μrad。

图3 输出功率及光束指向稳定性

       本研究首次演示了多段式复合掺杂Yb:YAG晶体在Innoslab高功率激光放大器中的应用。与传统的均匀掺杂Yb:YAG晶体相比，多段式复合掺杂晶体在输出功率、放大效率、光束质量和稳定性方面均表现出明显的优势。未来，该技术有望扩展至平均功率更高的超快激光系统，为先进的科学研究和应用提供高效且可靠的激光光源。

参考文献： 中国光学期刊网

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