在制造、極紫外光刻、阿秒科學等前沿領(lǐng)域，科學家和工程師對激光器提出了高的綜合性能要求——高平均功率、高峰值功率與高光束質(zhì)量。這“三高"指標往往相互制約，難以兼顧，因此被稱為激光技術(shù)性能的“三角挑戰(zhàn)"；突破這一瓶頸的“三高"激光器，正是驅(qū)動裝備發(fā)展的“光之引擎"。

固體激光器因結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)成熟，長期以來是實現(xiàn)高峰值功率的主力。其中，棒狀增益介質(zhì)（如Nd:YAG、Nd:YVO?）因成本低、易于加工，被廣泛應用。然而，隨著泵浦功率不斷提升，熱效應成為大“攔路虎"——泵浦光中未被利用的能量轉(zhuǎn)化為熱，導致晶體內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，引發(fā)熱透鏡和波前畸變，光束質(zhì)量急劇惡化，甚至導致晶體破裂。盡管板條、薄片等新型結(jié)構(gòu)在熱管理上表現(xiàn)更優(yōu)，但它們或結(jié)構(gòu)復雜或成本高昂。在這一背景下，傳統(tǒng)棒狀方案是否仍具潛力？通過對熱致像差的系統(tǒng)研究，浙江大學劉崇教授團隊發(fā)現(xiàn)熱致球差才是光束質(zhì)量惡化的“元兇"。

過去，棒狀激光器光束質(zhì)量在高功率下急劇惡化的根本原因長期模糊不清，制約了系統(tǒng)性優(yōu)化。Neubert和Eppich在2005年發(fā)表的工作中提出了將光束質(zhì)量因子分解為強度振幅項與波前相位項，定量分析了球差對光束質(zhì)量的影響[1]。研究團隊通過建立完整熱光耦合模型，并搭建波前探測平臺（如圖1所示），對熱透鏡像差進行Zernike多項式分解，系統(tǒng)地證實在所有工程誤差被排除后，熱致球差是所有棒狀介質(zhì)中普遍存在的、導致光束質(zhì)量惡化的主導像差。這一理論認知的突破，為高亮度輸出指明了清晰路徑——精準補償球差，即可“解鎖"棒狀結(jié)構(gòu)的功率潛力。

圖1熱致像差測量實驗光路 (WFS：波前傳感器)

基于此，團隊發(fā)展出三種球差補償策略。

一招：預補償。在低功率種子光進入端面泵浦的棒狀增益介質(zhì)放大器前，利用自適應光學系統(tǒng)中常見的波前整形器件，例如空間光調(diào)制器（SLM），預先加載與熱球差共軛的相位分布。當光束在晶體中被熱效應“扭曲"后，正負球差相互抵消，輸出近衍射極限光束，實驗光路圖如圖2所示。該方法靈活、可動態(tài)迭代優(yōu)化，適用于復雜多級系統(tǒng)，但波前器件相較于激光器整機成本較高，仍面臨工程化與實用化的挑戰(zhàn)。

圖2 波前畸變預補償實驗光路與補償算法示意圖

第二招：后補償。在激光放大器晶體后方合適的位置放置一塊帶有負球差系數(shù)的相位補償板，對晶體產(chǎn)生的正球差進行補償，原理如圖3（a）所示。2007年，以色列有關(guān)科研人員利用球差補償系統(tǒng)實現(xiàn)了較好光束質(zhì)量的Nd:YAG激光輸出，但是其輸出模式仍是多模，光束質(zhì)量因子在2以上[2]。2013年，清華大學研究人員利用可變形鏡對光束質(zhì)量惡化后的激光進行后補償，優(yōu)化了光束質(zhì)量，但是由于可變形鏡承受功率有限，只實現(xiàn)了31 W的連續(xù)紅外光輸出[3]。而相位補償板加工成本低，閾值高，可以承受高功率。對于多級放大級，只需在最后輸出端進行一次補償就可以優(yōu)化光束質(zhì)量，因此該技術(shù)非常適用于高功率多級放大器。不過，該技術(shù)的補償效果高度依賴于相位補償板的加工精度，對加工技術(shù)的要求較高。圖3（b）所示為該團隊基于球差后補償原理搭建的Nd:YAG皮秒固體放大器，該裝置實現(xiàn)了平均功率近300 W、峰值功率超100 MW的近衍射極限激光輸出。而圖3（c）為該團隊搭建的500 W輸出功率，高提取效率、高光束質(zhì)量Yb:YAG棒型飛秒放大器的裝置圖。

圖3 (a) 波前畸變后補償技術(shù)光路示意圖；(b) 端面泵浦Nd:YAG棒狀皮秒放大器及球差后補償系統(tǒng)；(c) Yb:YAG飛秒放大器裝置圖

第三招：互補償。巧妙利用光束在自由空間傳播中球差符號會反轉(zhuǎn)的物理特性，設計雙級棒狀放大器。級引入正球差，光束會聚后發(fā)散，球差變負；第二級熱效應再次引入正球差，兩者相互抵消。全程無需額外光學元件，系統(tǒng)更緊湊，原理如圖4（a）所示。2018年，有關(guān)科研人員實現(xiàn)了基于Nd:YAG側(cè)面泵浦的雙通自補償皮秒放大，成功利用放大級球差實現(xiàn)互補償，但平均功率只有31 W[4]。天津大學在2023年也報道了基于放大級自身球差補償?shù)墓腆w亞納秒放大裝置，但是同樣平均功率低[5]。圖4（b）展示了該團隊基于球差互補償技術(shù)搭建的Nd:YVO4皮秒器，成功獲得了350 W、近衍射極限的1064 nm激光。

圖 4 (a) 棒狀介質(zhì)放大器光束質(zhì)量互補償原理；(b) 基于互補償?shù)腘d:YVO4皮秒放大系統(tǒng)

棒狀激光器曾被認為“潛力已盡"，但深入的物理機制研究揭示，制約其發(fā)展的并非結(jié)構(gòu)本身，而是對熱效應理解不足。球差作為共性問題，其補償技術(shù)具有普適性，可推廣至多種固體激光系統(tǒng)。未來，隨著泵浦功率持續(xù)提升，結(jié)合更多光束質(zhì)量管理技術(shù)的提出與運用，棒狀激光器有望突破千瓦級高亮度輸出。棒狀晶體在大脈沖能量、高峰值功率方面具有天然優(yōu)勢，將在制造、強場物理等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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