上海光机所新型晶体技术赋能高功率超快激光设备升级

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超 强激光科学与技术全国重点实验室团队，在高重频高功率超快激光器核心技术上取得关键性突破。该研究通过创新晶体掺杂结构，破解了传统高功率超快激光设备的热效应难题，为高端超快激光装备国产化、性能迭代升级提供了核心技术支撑。作为先进制造、半导体精密加工、强场物理研究的核心光源，高重频高功率超快激光的技术革新，对精密光学仪器与高端激光装备产业发展具有重要推动意义。

当前商用高功率Innoslab超快激光设备普遍采用均匀掺杂Yb:YAG晶体，这一核心增益介质存在明显技术短板。随着激光输出功率提升，晶体内部会产生显著的温度梯度与热应力，不仅会直接降低激光放大效率、劣化光束质量，影响精密加工与精密测量的精度，还会大幅增加晶体热损伤、热断裂的概率，成为制约高功率、高稳定性超快激光设备规模化应用的核心瓶颈，长期限制着国产高端激光装备的性能上限与使用寿命。

针对行业痛点，上海光机所团队创新设计出2%+3%+2%多段式复合掺杂Yb:YAG晶体结构，彻底优化了泵浦光吸收与热量分布机制。区别于传统单一2%均匀掺杂晶体，新型晶体采用分段梯度掺杂设计，通过提升晶体中间核心工作区域的掺杂浓度，让泵浦光束在传输过程中实现全域均匀吸收，有效平衡晶体各区域的热量堆积，大幅降低内部温度梯度，从根源上抑制激光放大过程中的热效应问题，为激光器高功率、高稳定输出筑牢结构基础。

研究团队在同等实验条件下完成新旧晶体方案的对比测试，核心性能指标实现全方位提升。在630W泵浦功率、20W种子光注入的标准工况下，传统均匀掺杂晶体激光器输出功率为211W，光光转换效率仅33.4%；搭载新型多段式复合晶体后，设备输出功率提升至245W，光光转换效率提升至38.9%。同时，系统小信号增益从1.9提升至3.4，低功率种子光工况下仍可保持高效放大能力。在稳定性与光束质量方面，新型激光器光束质量因子M²低至1.21×1.25，1小时连续工作功率稳定性达0.11%(RMS)，30分钟内X、Y方向光束指向稳定性分别为7.33μrad和7.76μrad，具备极佳的工业连续运行能力。

业内人士表示，该新型晶体技术具备极强的拓展性，未来可进一步适配更高平均功率的超快激光系统。随着技术持续优化，其将广泛应用于半导体精密加工、高端先进制造、强场物理科研、高精度光学测量等核心领域，为前沿科学研究与高端工业制造提供高效、稳定、可靠的国产激光光源解决方案。