· 背景介紹 ·

在先進(jìn)制造、極紫外光刻、阿秒科學(xué)等前沿領(lǐng)域，科學(xué)家和工程師對(duì)激光器提出了極高的綜合性能要求——高平均功率、高峰值功率與高光束質(zhì)量。這“三高”指標(biāo)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(dòng)高端裝備發(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(zhǎng)期以來是實(shí)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(yīng)用。然而，隨著泵浦功率不斷提升，熱效應(yīng)成為大“攔路虎”——泵浦光中未被利用的能量轉(zhuǎn)化為熱，導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(duì)熱致像差的系統(tǒng)研究，浙江大學(xué)劉崇教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)熱致球差才是光束質(zhì)量惡化的“元兇”。

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· 關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展：從認(rèn)清“元兇”到三重“破壁” ·

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(zhǎng)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(qiáng)度振幅項(xiàng)與波前相位項(xiàng)，定量分析了球差對(duì)光束質(zhì)量的影響[1]。研究團(tuán)隊(duì)通過建立完整熱光耦合模型，并搭建波前探測(cè)平臺(tái)（如圖1所示），對(duì)熱透鏡像差進(jìn)行Zernike多項(xiàng)式分解，系統(tǒng)地證實(shí)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(dǎo)致光束質(zhì)量惡化的主導(dǎo)像差。這一理論認(rèn)知的突破，為高亮度輸出指明了清晰路徑——補(bǔ)償球差，即可“解鎖”棒狀結(jié)構(gòu)的功率潛力。

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圖1熱致像差測(cè)量實(shí)驗(yàn)光路 (WFS：波前傳感器)

基于此，團(tuán)隊(duì)發(fā)展出三種球差補(bǔ)償策略。

預(yù)補(bǔ)償。在低功率種子光進(jìn)入端面泵浦的棒狀增益介質(zhì)放大器前，利用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中常見的波前整形器件，例如空間光調(diào)制器（SLM），預(yù)先加載與熱球差共軛的相位分布。當(dāng)光束在晶體中被熱效應(yīng)“扭曲”后，正負(fù)球差相互抵消，輸出近衍射極限光束，實(shí)驗(yàn)光路圖如圖2所示。該方法靈活、可動(dòng)態(tài)迭代優(yōu)化，適用于復(fù)雜多級(jí)系統(tǒng)，但波前器件相較于激光器整機(jī)成本較高，仍面臨工程化與實(shí)用化的挑戰(zhàn)。

圖2 波前畸變預(yù)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)光路與補(bǔ)償算法示意圖

第二招：后補(bǔ)償。在激光放大器晶體后方合適的位置放置一塊帶有負(fù)球差系數(shù)的相位補(bǔ)償板，對(duì)晶體產(chǎn)生的正球差進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)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(xué)研究人員利用可變形鏡對(duì)光束質(zhì)量惡化后的激光進(jìn)行后補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了31 W的連續(xù)紅外光輸出[3]。而相位補(bǔ)償板加工成本低，閾值高，可以承受高功率。對(duì)于多級(jí)放大級(jí)，只需在后輸出端進(jìn)行一次補(bǔ)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(jí)放大器。不過，該技術(shù)的補(bǔ)償效果高度依賴于相位補(bǔ)償板的加工精度，對(duì)加工技術(shù)的要求較高。圖3（b）所示為該團(tuán)隊(duì)基于球差后補(bǔ)償原理搭建的Nd:YAG皮秒固體放大器，該裝置實(shí)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(tuán)隊(duì)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(bǔ)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(bǔ)償系統(tǒng)；(c) Yb:YAG飛秒放大器裝置圖

第三招：互補(bǔ)償。巧妙利用光束在自由空間傳播中球差符號(hào)會(huì)反轉(zhuǎn)的物理特性，設(shè)計(jì)雙級(jí)棒狀放大器。第一級(jí)引入正球差，光束會(huì)聚后發(fā)散，球差變負(fù)；第二級(jí)熱效應(yīng)再次引入正球差，兩者相互抵消。全程無需額外光學(xué)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(shí)現(xiàn)了基于Nd:YAG側(cè)面泵浦的雙通自補(bǔ)償皮秒放大，成功利用放大級(jí)球差實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)償，但平均功率只有31 W[4]。天津大學(xué)在2023年也報(bào)道了基于放大級(jí)自身球差補(bǔ)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(tuán)隊(duì)基于球差互補(bǔ)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(bǔ)償原理；(b) 基于互補(bǔ)償?shù)腘d:YVO4皮秒放大系統(tǒng)

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· 總結(jié)與展望 ·

棒狀激光器曾被認(rèn)為“潛力已盡”，但深入的物理機(jī)制研究揭示，制約其發(fā)展的并非結(jié)構(gòu)本身，而是對(duì)熱效應(yīng)理解不足。球差作為共性問題，其補(bǔ)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(yùn)用，棒狀激光器有望突破千瓦級(jí)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(shì)，將在極端制造、強(qiáng)場(chǎng)物理等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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