高能量（>1mJ）、短脉冲（<300fs）的超短超强激光，在工业超精密加工和前沿科研中极具价值。工业加工方面，它可实现脆性材料切割、超硬材料加工、太阳能电池加工、异形孔与微孔制造、材料表面微结构加工、异种材料焊接等，提升加工精度与效率，助力企业降本增效。科研领域，其助力高次谐波产生、阿秒光源生成、极紫外光学频率梳构建、大气等离子体激发、超精密测距等研究，推动科学探索迈向新高度。该激光技术为工业升级与科研突破提供强大动力，商业潜力巨大。

然而，高重频高能量固体激光器的热效应问题也十分显著，导致光束质量难以保持，运行稳定性受到影响。奥创光子固体激光实验室针对这一技术问题，提出新的技术路线，不同于奥创光子传统的板条高功率行波放大器，团队开发了一款基于双晶再生放大结构的1035nm固体飞秒激光器，利用双晶结构分散泵浦热量，有效降低了热效应，同时得益于该激光晶体的宽发射谱特性，激光系统最终获得了最大平均功率40W，最大单脉冲能量4mJ，最短脉冲宽度<150fs的激光输出。

该产品的光学技术方案为光纤信号光源结合固体再生放大器，并以单级行波固体放大器作为系统的主放大单元。信号光源采用一套平均功率450mW、重复频率41MHz的宽光谱光纤激光系统，包含锁模掺镱光纤振荡器、脉冲展宽器与单模掺镱光纤放大器，输出激光中心波长1035nm，光谱宽度23.5nm，与再生放大器的增益介质光谱特性匹配。

双晶体飞秒再生放大器（RA）（图1）采用250W的980nm光纤耦合半导体激光器作为泵浦源，由PBS将泵浦光均匀地分成水平偏振光和垂直偏振光，为了利用激光晶体偏振相关的吸收截面特性，用半波片将垂直偏振光旋转到水平方向以提升对泵浦光吸收率。泵浦光由透镜L1准直，等光程传输后由透镜L2、L3分别耦合进宽带激光晶体（C1、C2）。

图1. 4mJ双晶飞秒再生放大器实验装置图 （seed：光纤种子；ISO：隔离器；HWP1-HWP3：半波片；QWP：四分之一波片；TFP1-TFP4：偏振片；FR：法拉第旋光器；PC：普克尔盒；C1、C2、C3：激光晶体；M1、M2：平面反射镜；R1、R2：凹面反射镜；DM1、DM2、DM3：二向色镜；PBS：偏振分光棱镜；L1-L5：透镜；pump：泵浦源；compressor：脉冲压缩器）

普克尔盒（PC）与四分之一波片组成一个Q开关，用于锁住种子脉冲和释放放大脉冲；通过控制PC的占空比、频率和延迟时间，可以控制脉冲在腔内的往返次数，以获得最优输出。所设计的再生放大腔具有对称共焦结构，平面反射镜（M1、M2）作为再生腔的两个端镜，镀有1020-1064 nm的高反介质膜（R>99.9%）；凹面反射镜（R1、R2）镀有1020-1064 nm的高反介质膜（R>99.9%），其曲面反射面对高斯光束的整形可以增大信号光和泵浦光的模式匹配体积，提高放大效率。二向色镜（DM1、DM2）镀有1020-1040nm的高反介质膜（R>99.6%）和890-990nm的高透介质膜（R<0.6%）。

该再生腔的总长度约为2.5 m，对应的腔内脉冲往返时间为16.7 ns。由于泵浦光功率较高，腔内的热效应不可忽视，在含热透镜的腔型设计中须兼顾放大效率与光束质量。再生放大器采用了特殊设计的热不灵敏腔（图2），激光晶体采用了双路水冷的散热结构，以确保在50~120W泵浦强度下，腔内模场分布稳定。优化调试后的再生放大器，输出最大3.3mJ的展宽脉冲（10kHz重频），测得光束质量M2<1.3。

图2. 热焦距与泵浦光功率的热不敏感关联性设计

再生放大级对信号光完成了高增益放大，经光束整形透镜组的模式转换后，注入后继的行波主放大器。精准的模式转换有效实现了行波放大器中的信号光-泵浦光模式匹配，经主放大级后依然保持了优良的光束质量。同样是为了保持光束质量，并减少光谱增益窄化效应，该单级行波放大器设计为仅提供有限的增益，在10kHz重频下输出平均功率50W。脉冲压缩器采用高衍射效率透射式光栅对，其提供的色散特性与前端展宽器相匹配，并可以在实验中微调；得益于脉冲的宽光谱，压缩后测得脉宽148fs，对应平均功率40W，单脉冲能量4mJ。

该激光器整机的24小时内功率稳定性RMS<1%；pulse-to-pulse能量长时间稳定性＜0.5%@24h。部分测试参数如图3所示。

（a）光束质量

（b）功率稳定性

（c）自相关稳定性

图3.  4mJ、10kHz固体飞秒激光器部分测试参数

上述指标的再生+行波固体激光放大系统具有高能量、窄脉宽、高稳定性、结构紧凑等特点。数十瓦的平均功率处于飞秒激光器的中等功率范畴，但极高的单脉冲能量和峰值功率使之具有与物质作用时的瞬时强电场，对各类材料几乎无坚不摧，是名副其实的强场激光源。该激光器的推出扩展了奥创光子高能飞秒激光器产品家族的能量上限，与基于板条放大技术的百瓦高功率飞秒激光器系列产品形成互补，完善了高功率大能量飞秒激光器产品的指标覆盖度，为用户针对不同应用选取各类飞秒激光光源提供了更多选项。