原文来自TRUMPF 公司于2014年（11年前）发表的 "Multi-kW IR and green nanosecond thin-disk lasers"一文，

连续运转且输出功率数千瓦的碟片激光器因其卓越的光束质量、高效率、高可靠性以及低投资和运营成本，在工业材料加工中被广泛应用。该文展示了平均输出功率达数千瓦的纳秒薄片激光器。作者证明了在脉冲激光系统中，几乎可以实现与连续波系统相同的平均功率和光束质量。利用腔倒空原理（cavity dump）进行脉冲产生，该文展示了超过4kW 的平均输出功率，脉冲能量超过180mJ。该激光器产生的脉宽为20 ns，几乎与功率水平和重复频率无关。光束参数乘积（BPP）测量值优于4.5mm·mrad（M² < 14）。通过腔内频率转换，研究了在绿光波长范围内脉冲激光的高效产生能力。该文展示了平均功率超过1.8kW、脉冲时长在100 ns到300ns之间的Q开关碟片激光器的结果。此外，该文还展示了利用腔倒空原理进行纳秒薄片激光器的腔外二次谐波（SHG）和三次谐波产生（THG）的初步结果。对于入射红外平均功率为2.3 kW 的情况，二次谐波生成在515 nm 波长处实现了超过800 W的功率，三次谐波生成在343nm 波长处实现了超过500W 的功率，测量的脉冲时宽均小于20ns。

一、创新思路与方案设计

研究团队采用了基于4 kW TruDisk激光器的平台，利用腔倒空原理产生纳秒脉冲。通过增加泵浦功率并优化谐振腔设计，实现了超过4 kW的平均输出功率，脉冲能量超过180 mJ。所提出的谐振腔设计利用了单一碟片在一次往返中作为反射镜四次的方案（见图1），通过简单的平面反射镜实现多程放大，从而提高了输出耦合效率并减少了光学元件的负载。

二、 实验参数

2.1 激光晶体与腔参数

激光晶体采用Yb:YAG碟片，尺寸和泵浦参数未详细说明。激光腔设计使得碟片在一次往返中被使用四次作为反射镜，通过简单的平面反射镜实现多程放大。具体的腔参数未详细给出，但该设计提高了往返增益，允许更高的平均输出耦合效率。

图0. 碟片激光的示意图

2.2 倍频（SHG）和和频（THG）晶体参数

倍频晶体采用I型临界相位匹配的非线性晶体，尺寸和切割角度未详细说明。和频晶体采用II型临界相位匹配的非线性晶体，同样未给出具体尺寸和切割角度。两种晶体均放置在谐振腔内，用于实现高效的频率转换。

三、实验结果与分析

实验中，基于腔倒空操作的碟片激光器实现了超过4 kW的平均输出功率，脉冲能量超过180 mJ，脉冲时宽为20 ns，与功率水平和重复频率几乎无关。光束参数乘积测量值优于4.5 mm·mrad（M² < 14）。

对于腔内倍频Q开关碟片激光器，实现了超过1.8 kW的平均功率，脉冲时长在100 ns到300 ns之间。腔外倍频和和频实验显示，使用2.3 kW的红外平均功率，分别在515 nm波长处实现了超过800 W的功率，在343 nm波长处实现了超过500 W的功率，脉冲时宽均小于20 ns。

四、 实验图表及数据说明

图 1：（Fig 2 in the paper）展示了用于腔倒空操作的碟片激光器的实验设置，包括波片、泡克尔斯盒、偏振片等关键组件，说明了腔倒空过程中光学元件的排列和功能。

从激光腔的设计来看，激光在腔内走了多程往返，更有利于激光充分提取，并且不需要太多的增益模块数量。

图 2，(Fig.3 in the paper)：呈现了不同重复频率下，腔倒空碟片激光器的平均输出功率和光 - 光效率，展示了激光器在不同工作条件下的性能，体现了其高效率和高功率输出能力。

图 3（Fig. 4 in the paper）：描绘了带有腔内倍频的Q开关碟片激光器的设置，包括非线性晶体和分光镜等组件，展示了如何在谐振腔内实现频率转换，以及如何分离和输出不同波长的激光。

图 4：(Fig.5 in the paper) 显示了Q开关碟片激光器在腔内倍频情况下的最大平均输出功率和光 - 光效率，体现了倍频过程中的功率关系和转换效率。

图 5：(Fig.6 in the paper)展示了用于腔外和频的碟片激光器的实验设置，包括两个非线性晶体、波片、偏振片和分光镜等组件，说明了如何实现从红外到紫外波段的频率转换。

图 6：(Fig.7 in the paper)呈现了腔外倍频及和频过程中，不同波长处的输出功率和转换效率，展示了频率转换后的功率水平和效率，体现了激光器在不同波段的应用潜力。

五、综合结论与创新性评价

综上所述，本文的研究成果表明，碟片激光器设计适用于产生具有良好光束质量和高平均功率的纳秒脉冲激光脉冲。

通过腔倒空技术，实现了近红外、绿光和紫外波段的高效短脉冲激光输出。通过使用多增益元件或在一次往返中多次使用单一增益元件的谐振腔设计，减轻了谐振腔内光学元件的负载。基于4 kW连续波碟片激光器的实验平台，展示了基于单个碟片结构的，在一次往返中四次通过增益介质的腔倒空碟片激光器，其在1030 nm波长处的平均输出功率达到4.2 kW。

脉冲时宽可在20 ns至50 ns之间调节，最大脉冲能量为180 mJ，重复频率高达100 kHz。光束参数乘积测量值优于4.5 mm·mrad。利用Q开关碟片激光器的腔内倍频，实现了515 nm波长处1.8 kW的平均输出功率，脉冲时长可在约100 ns至300 ns之间调节，最大脉冲能量达到100 mJ。

在腔外频率转换（行波方式变频）方面，实现了20 kHz重复频率下515 nm波长处超过800 W的平均功率，以及343 nm波长处507 W的平均功率。脉冲时宽小于20 ns。

本文的研究在提高碟片激光器的输出功率和频率转换效率方面做出了重要贡献，特别是在绿光和紫外波段的高功率纳秒脉冲激光输出方面具有显著的创新性和应用潜力。

原文链接：

Christian Stolzenburg，Wolfgang Schüle, Veit Angrick, Montasser Bouzid, and Alexander Killi，"Multi-kW IR and green nanosecond thin-disk lasers", Proc. SPIE 8959, Solid State Lasers XXIII: Technology and Devices, 89590O (28 February 2014);

七、参考文献：

1 结晶终将化碟片——高功率超短脉冲碟片激光器的“蜕变” - 知乎

2 Stolzenburg, C., Schuele, W., Zawischa, I., Killi, A., Sutter, D.,“700W intracavity frequency doubled Yb:YAG thin-disk laser at 100 kHz repetition rate,“ Proc. SPIE 7578, 75780A-9 (2010).