作为精密加工的光能输出工具，飞秒激光器的产品升级需求也受激光制造行业的生产效能升级的影响，朝着更高功率、更大能量、更多波长等方向演化。与激光粗加工应用的高功率连续光光纤激光器的演变规律类似，大面幅精密激光加工、并行精密激光加工、高重频高效率精密激光加工等作为谋在当前、兴于未来的精密制造领域的主流方向，对飞秒激光光源有着更高、更强输出能力的必然要求。

伴随激光输出功率提升的是更严重的热效应，以及激光能量更接近光损伤阈值、非线性效应阈值，这些不可避免的物理效应需要在技术路线制定过程考虑，施以有针对性的措施。奥创光子的高功率产品升级基于已有的300~400W飞秒激光器型号，为了进一步提升输出功率，对主放大器的innoslab光路结构做了优化。

*500w飞秒激光器外观图

主放大器设计为两级布局，第一级担负着将小信号光功率急剧拔升，第二级负责将已获得放大的光能进一步推高，二者均为innoslab放大器。第一级放大模块设计为多通光路结构，以不少于5次的通过次数穿越激光增益介质实现高增益放大效果；由于激光器的设计，尤其是多级放大架构的激光器设计，须将放大布局作为一个整体通盘考虑，此第一级innoslab放大器并未片面追求放大功率，而是设计为放大输出功率和光束质量满足后续第二级innoslab放大所需要的光强度匹配、空间分布匹配、光热效应可控，这与奥创光子百瓦产品家族的单级innoslab放大模块光学设计思路不尽相同。

第二级innoslab放大器受到强泵浦和强信号的双重高功率激光照射，其热负荷极大，对其设计亦采用多通放大方式，且信号光整形光斑横向尺寸更大，让信号光场与泵浦光场充分交叠，提高放大效率，进一步减小热损耗；innoslab晶体的光热效应在高功率放大时更加明显，第二级innoslab放大器中晶体热焦距已不足35mm，对于放大后的信号光，存在着光束束腰落在光学元器件表面的风险，因而这是限制激光放大器能量提升的一个重要因素。

综合设计布局激光放大系统全光路的高斯光束演化，在综合了光束整形光学透镜组、热透镜等曲面光学元件的影响后，确保每个光学元器件上的激光能量密度远离膜层损伤阈值、远离材料自聚焦阈值，这是对毫焦级高能飞秒脉冲激光放大光路设计的指导原则之一，尤其在该高功率、大能量飞秒激光系统中，奥创光子对其激光光学设计进行了充分的计算和仿真（图1），坚持把实验隐患消除在设计阶段。

*图1. 双级双端泵浦的innoslab Yb:YAG高功率激光放大器光路布局示意图

作为innoslab放大系统的核心光学设计，信号光高斯光束整形光路、泵浦光匀化整形光路及器件的开发决定了放大系统最终的放大效能。奥创光子在光纤无源器件如光纤准直器、光纤隔离器等方面积累了光纤光学工程设计经验和产品化经验，另外在块状固体激光放大器的多级级联、单级多通放大设计方面早已实现了工程化向产品化的过渡，因此对于高斯光束在强激光系统中的光学变换镜组设计技术储备成熟，并已移植到innoslab放大模块的信号光光束整形系统中的，成就了奥创光子百瓦级毫焦级飞秒激光系列产品的主放大级。

激光器的设计须符合工程可制造性的要求，出于简化激光器生产环节装调难度的考虑，舍去了多通共焦腔的设计思路，转而采取整形后信号光光束呈自然发散、反复进出innoslab晶体的简洁光路方案；多镜组立体光路设计布局如图2（a），设计过程已将激光晶体的热焦距计算在内，并在实际装配过程中调整整形椭圆形光斑的发散角来控制信号光在增益介质中的交叠程度。泵浦光的光场整形系统设计稍显复杂，是一种匀化光场能量分布的多模激光传输变换计算，经过在对泵浦光场设计过程反复迭代各个镜组的选型，最后得到优化数据后的几组最优解，具体的器件选型还要在实验中去尝试，筛选出符合光场实际分布的最优镜组组合。虽然光场整形设计过程和要求复杂，在奥创光子前期的多型号高功率飞秒激光器产品开发基础上，此500W飞秒激光器的主放大器泵浦光路设计方案如图2（b），可见出于提升激光放大器输出功率的考量，两级innoslab放大器均采用了双向泵浦方式，这种泵浦模式既充分利用了激光增益介质的储能，也提升了激光晶体内的光功率密度，奥创光子的设计体系要求泵浦光功率密度不小于30kW/cm2，这是有效提升innoslab放大器效率的基本内控指标之一。

*图2. 双级双端泵浦的innoslab Yb:YAG高功率激光放大器光路布局示意图

激光晶体作为激光放大器的增益介质，在高功率放大系统中其光学性能受散热条件影响显著，即激光晶体的高效散热和冷却才能保证高效的激光增益和良好的光束质量。尤其对我司固体激光器常用的Yb:YAG激光晶体，其准三能级结构更增加了晶体激光特性对散热条件的依赖性。innoslab放大器采用的薄平板状激光晶体，平板的两个大面积侧面作为散热面紧贴金属热沉，因此晶体和热沉之间的封装工艺是innoslab放大器的关键器件生产工艺之一，奥创光子的专业铟焊车间装备了回流焊设备实现对innoslab放大器的模块化热沉封装。

按照封装程序，订制的innoslab激光晶体首先在光学冷加工工序进行二次抛光，专业的抛光机能够最大程度减少晶体表面形貌的微起伏，杜绝导热不良的接触点；激光晶体金属化是工艺细节和用料最考究的一道工序，一般由经验丰富的工程师操作，并有专人负责检验；而后将晶体封装于铜质热沉的模块中，最后送出对两个通光面进行镀膜，镀膜过程启动前，由奥创光子专业工程师使用特制的工装包裹热沉的金属部分，防止镀膜过程引入污染。在高功率innoslab放大模块封装测试环节，奥创光子实现了该模块封装成功率>85%，正是严苛的质检内控指标确保了innoslab模块在各级放大器中放大效率和光热的可控性，也是保障高功率激光器整机品质和产品一致性的基本途径。

同样是出于产品化对系统可维护性的要求，该500W双级高功率innoslab放大系统在光机组装过程尽量设计为线下组装方式，即通过总装线之外的子模块组装产线来把innoslab放大器模块的外围耦合镜片、输入输出镜片以及偏振控制光学组件预先装配完成，形成一个准半成品。这样的半成品随后只需在总装线上安装，随后由激光工程师线上精调信号光、泵浦光的耦合光路，一定程度减少了总装线工程师的工作量，实现了粗调和精调在时间、空间上的分离，以此提高生产效率、优化工种配置。此外，准半成品的另一优点是易于后期对激光器进行维护，在极端情况下如需更换某innoslab放大单元，只需卸下旧模块换上全新的相同规格模块，可简化后续的维修装调流程。实际的高功率飞秒激光整机中，围绕高功率器件和光路还设置了若干传感器，用于自动监测激光头内部的环境状况、激光运行参数状况等，为激光器的日常“健康监测”和定期维护提供数据依据。得益于有效的偏振态管理，在放大光功率589W时，脉冲压缩器的整体效率获得保障，输出了超过500W的压缩后飞秒激光，在重复频率≤120kHz下对应最大单脉冲能量能够达到3mJ。该系列产品的整机输出技术指标见图3、图4、图5。

图3. Orientation-500-IR型飞秒激光器输出功率稳定性测试

图4. Orientation-500-IR型飞秒激光器在最大输出功率下的光束质量测量（M2~1.4）

图5. Orientation-500-IR型飞秒激光器输出飞秒脉冲自相关曲线

在高增益放大条件下，激光介质的光谱增益窄化、热透镜效应更加显著，反映在输出的飞秒脉冲时域宽度以及光束质量等参数。该产品定位于高能量型号，对于高重复频率应用，亦可根据客户要求配备GHz重复频率种子源，实现GHz脉冲串输出模式。如选配奥创光子的高功率非线性压缩装置外挂于激光头，输出脉宽可实现数倍的二次压缩，激光器就可方便地升级为兼具高功率、大能量和窄脉宽的超短超强光源。

在成熟的innoslab放大平台上，毫焦级500W飞秒激光器完成了研发和实现全球首家小批量出货，这个里程碑式的高功率飞秒激光器是单级innoslab放大器向多级innoslab放大器过渡的成功案例，带给用户的是“小几百瓦”到“大几百瓦”飞秒激光的转型升级。

图6. Orientation-500-IR型飞秒激光器机械外形图（激光头）

在产品和技术持续改进的开发理念推动下，接下来奥创光子正在研发的千瓦级毫焦级飞秒激光器，预计将于今年年底实现市场化销售。