近日，深圳技术大学阮双琛教授牵头的国家重点研发项目“晶体薄片加工及新一代增益器件制备”，该项目联合中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所、江苏师范大学、中国科学院半导体研究所、大族激光科技产业集团股份有限公司、江苏第三代半导体研究院等5家单位合作开展研究。项目团队针对晶体薄片加工及新一代增益器件制备中的关键科学问题取得重要研究进展，在国内率先实现了直径>20 mm Yb:YAG薄片晶体制备，自主设计开发的大口径48冲程泵浦系统，实现了千瓦级连续光运转，光光转化效率接近80%。
图1 自主研发的Yb:YAG薄片晶体(直径>20 mm)和48冲程泵浦系统
薄片激光器（Thin Disk Lasers, TDLs）是将增益介质做成极薄的圆盘状晶体结构（直径约10~25 mm，厚度约100~300 μm），这种独特的几何结构显著提高了晶体的散热效率，使其在工作过程中仅存在一维的轴向热梯度，降低了晶体的热透镜、热畸变等效应，可以有效提升输出激光的光束质量。薄片激光器因具有功率可扩展、冷却效率高、波前畸变小等优点，成为下一代高功率、高能量、高峰值功率激光器的理想方案之一。
项目团队单位依托广东省高校先进光学精密制造技术重点实验室、中德智能制造学院、工程物理学院和深圳大学深圳市激光工程重点实验室等单位，于2021年开始开展薄片激光技术的攻关。
图2 薄片再生放大技术和啁啾脉冲放大技术示意图
2022年项目团队采用自研直径12 mm的薄片晶体和再生放大技术，通过对高功率再生放大谐振腔的色散补偿及非线性效应控制，实现了单脉冲能量>500 μJ、脉冲宽度<7.5 ps、平均功率>200 W的激光输出，尤其是光束质量M2<1.1、光-光转换效率>50%的优良性能，为腔外高效非线性频率变换打下了坚实基础，可广泛应用于玻璃、蓝宝石和陶瓷的切割与钻孔，以及光伏太阳能、半导体晶圆等精密微加工领域。2023年，项目团队基于啁啾脉冲放大技术（CPA），实现了输出功率85 W，脉冲宽度800 fs的激光输出，光束质量M2<1.2、24小时功率稳定性RMS<0.15%。
图3 薄片再生放大器
图4 薄片CPA+再生放大器
近日，项目团队采用锁定波长的969 nm“零声子线”、大尺寸薄片晶体和千瓦级高冲程泵浦系统实现了最高连续输出功率>1300 W、最大光-光转化效率接近80%，其优异性能为千瓦级平均功率以及百毫焦的超快薄片激光器研究奠定了重要基础。
图5 千瓦级薄片激光功率和光-光转化效率曲线
通过科技部重点研发项目牵引，项目团队以国家产业安全和重大工程建设需求为导向，突破大功率激光材料与器件应用关键核心技术，打通创新链，突破战略性大功率激光晶体制备与应用各环节的共性关键技术，提高我国信息、能源、交通、高端装备等领域核心激光晶体材料和器件的自主可控能力，服务新能源、3C电子、高端制造等高新技术产业发展。
