高功率高亮度激光器研究进展

· 背景介绍 ·

在先进制造、极紫外光刻、阿秒科学等前沿领域，科学家和工程师对激光器提出了极高的综合性能要求——高平均功率、高峰值功率与高光束质量。这“三高”指标往往相互制约，难以兼顾，因此被称为激光技术性能的“三角挑战”；突破这一瓶颈的“三高”激光器，正是驱动高端装备发展的“光之引擎”。

固体激光器因结构紧凑、技术成熟，长期以来是实现高峰值功率的主力。其中，棒状增益介质（如Nd:YAG、Nd:YVO?）因成本低、易于加工，被广泛应用。然而，随着泵浦功率不断提升，热效应成为大“拦路虎”——泵浦光中未被利用的能量转化为热，导致晶体内部产生温度梯度，引发热透镜和波前畸变，光束质量急剧恶化，甚至导致晶体破裂。尽管板条、薄片等新型结构在热管理上表现更优，但它们或结构复杂或成本高昂。在这一背景下，传统棒状方案是否仍具潜力？通过对热致像差的系统研究，浙江大学刘崇教授团队发现热致球差才是光束质量恶化的“元凶”。

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· 关键技术进展：从认清“元凶”到三重“破壁” ·

过去，棒状激光器光束质量在高功率下急剧恶化的根本原因长期模糊不清，制约了系统性优化。Neubert和Eppich在2005年发表的工作中提出了将光束质量因子分解为强度振幅项与波前相位项，定量分析了球差对光束质量的影响[1]。研究团队通过建立完整热光耦合模型，并搭建波前探测平台（如图1所示），对热透镜像差进行Zernike多项式分解，系统地证实在所有工程误差被排除后，热致球差是所有棒状介质中普遍存在的、导致光束质量恶化的主导像差。这一理论认知的突破，为高亮度输出指明了清晰路径——补偿球差，即可“解锁”棒状结构的功率潜力。

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图1热致像差测量实验光路 (WFS：波前传感器)

基于此，团队发展出三种球差补偿策略。

预补偿。在低功率种子光进入端面泵浦的棒状增益介质放大器前，利用自适应光学系统中常见的波前整形器件，例如空间光调制器（SLM），预先加载与热球差共轭的相位分布。当光束在晶体中被热效应“扭曲”后，正负球差相互抵消，输出近衍射极限光束，实验光路图如图2所示。该方法灵活、可动态迭代优化，适用于复杂多级系统，但波前器件相较于激光器整机成本较高，仍面临工程化与实用化的挑战。

图2 波前畸变预补偿实验光路与补偿算法示意图

第二招：后补偿。在激光放大器晶体后方合适的位置放置一块带有负球差系数的相位补偿板，对晶体产生的正球差进行补偿，原理如图3（a）所示。2007年，以色列有关科研人员利用球差补偿系统实现了较好光束质量的Nd:YAG激光输出，但是其输出模式仍是多模，光束质量因子在2以上[2]。2013年，清华大学研究人员利用可变形镜对光束质量恶化后的激光进行后补偿，优化了光束质量，但是由于可变形镜承受功率有限，只实现了31 W的连续红外光输出[3]。而相位补偿板加工成本低，阈值高，可以承受高功率。对于多级放大级，只需在后输出端进行一次补偿就可以优化光束质量，因此该技术非常适用于高功率多级放大器。不过，该技术的补偿效果高度依赖于相位补偿板的加工精度，对加工技术的要求较高。图3（b）所示为该团队基于球差后补偿原理搭建的Nd:YAG皮秒固体放大器，该装置实现了平均功率近300 W、峰值功率超100 MW的近衍射极限激光输出。而图3（c）为该团队搭建的500 W输出功率，高提取效率、高光束质量Yb:YAG棒型飞秒放大器的装置图。

图3 (a) 波前畸变后补偿技术光路示意图；(b) 端面泵浦Nd:YAG棒状皮秒放大器及球差后补偿系统；(c) Yb:YAG飞秒放大器装置图

第三招：互补偿。巧妙利用光束在自由空间传播中球差符号会反转的物理特性，设计双级棒状放大器。第一级引入正球差，光束会聚后发散，球差变负；第二级热效应再次引入正球差，两者相互抵消。全程无需额外光学元件，系统更紧凑，原理如图4（a）所示。2018年，有关科研人员实现了基于Nd:YAG侧面泵浦的双通自补偿皮秒放大，成功利用放大级球差实现互补偿，但平均功率只有31 W[4]。天津大学在2023年也报道了基于放大级自身球差补偿的固体亚纳秒放大装置，但是同样平均功率低[5]。图4（b）展示了该团队基于球差互补偿技术搭建的Nd:YVO4皮秒器，成功获得了350 W、近衍射极限的1064 nm激光。

图 4 (a) 棒状介质放大器光束质量互补偿原理；(b) 基于互补偿的Nd:YVO4皮秒放大系统

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· 总结与展望 ·

棒状激光器曾被认为“潜力已尽”，但深入的物理机制研究揭示，制约其发展的并非结构本身，而是对热效应理解不足。球差作为共性问题，其补偿技术具有普适性，可推广至多种固体激光系统。未来，随着泵浦功率持续提升，结合更多光束质量管理技术的提出与运用，棒状激光器有望突破千瓦级高亮度输出。棒状晶体在大脉冲能量、高峰值功率方面具有天然优势，将在极端制造、强场物理等领域发挥不可替代的作用。

参考文献： 中国光学期刊网

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