理化所提出激光共軸合束新方法

　　【儀表網 研發快訊】增益介質熱效應是限制高能固體激光系統功率進一步提升的主要因素，且嚴重的熱效應會導致激光光束質量加速惡化，直至難以滿足應用需求。當單束激光性能難以再提升時，激光合束技術是激光系統功率進一步定標提升并保持光束質量的終極途徑。
 

　　當前，國際領域激光合束方法主要有相干合束、光譜合束、偏振合束等，這些合束方法均得到不同程度的應用并取得一系列成果。然而這些方法適用條件各不相同，僅能滿足部分激光系統合束需求。比如，相干合束通常需要子激光束為單頻激光，且需配備精密的相位控制裝置以滿足所有子激光束相位相同的要求，因此操作難度和復雜度均較高，長期處于研究階段，目前尚未實用；對于光譜合束，要求各子激光束具有不同的波長，才能采用光柵等色散器件將多束子激光共軸合為一束，這導致大多數單波長激光系統無法采用這種合束方式；偏振合束雖然操作簡單，但通常只能將兩束正交偏振的激光共軸合束，難以外推到更多子激光束合束需求。跳出這些已有的激光合束原理范疇，提出一種操作簡單，全被動式、合束效率高同時具備可擴展性的激光合束新方法具有重要的學術價值和產業價值。
 

　　近期，中國科學院理化技術研究所新體制高能固態激光技術研究組獨立提出了一種脈沖激光共軸合束新方法，并將其命名為諧波共軸合束(harmonic beam coaxial combination，HBCC)。已分別在百皮秒激光、納秒激光以及高功率皮秒激光上成功進行了激光合束驗證，證實了其操作簡單、效率高、光束質量好的特性。
 

圖1 激光諧波共軸合束原理示意圖
 

　　該激光合束新方法基本原理可歸納為一定條件下倍頻過程的非逆性，即當一束激光以高效產生倍頻光的功率密度通過非線性晶體后，倍頻激光再以相同的功率密度通過同樣的非線性晶體時不會發生逆轉換，而是近乎無損地通過非線性晶體。利用這個特性，研究人員可以不斷地將基頻激光共軸添加到已有的倍頻激光束重復倍頻過程，從而完成多束諧波激光的共軸合束，功率無損疊加的同時其光束質量可保持與單束子激光束相同。
 

圖2 高功率皮秒諧波共軸合束光路示意圖
 

　　理化所科研人員聯合安徽華創鴻度光電科技有限公司，采用兩臺獨立的1064 nm皮秒激光器進行高功率皮秒激光共軸合束演示驗證，每臺激光器均具有脈寬約10 ps、重頻400 kHz、光束質量因子M2<1.2，平均功率均為約112 W，每束基頻激光通過LBO晶體倍頻分別能產生約66 W的532nm皮秒倍頻激光。經過諧波共軸合束操作，合束后的532nm皮秒激光功率達到132 W，合束效率高達99.9%，合束后的激光仍保持在M2≈1.25高光束質量狀態，并且仍然保持偏振度>140:1的線偏振度。更多數量的子激光束以相同的步驟可進一步實現更高功率皮秒激光功率合成。
 

圖3 高功率皮秒激光諧波共軸合束實驗裝置
 

圖4 經諧波共軸合束后激光束保持良好的光束質量
 

　　相關成果發表在Optics Letters (Vol. 49, No. 16. Page 4669)和 IEEE Photonics Technology Letters (2025, early access )上，論文第一作者是2023級博士生張奧楠，通訊作者是劉可副研究員。
 

　　這種諧波共軸合束方法可進一步歸結為將激光系統中激光增益介質的高產熱率過程轉移到非線性晶體的低產生熱率過程上，使非線性晶體同時兼顧合束器件的作用，從而大幅減小激光系統熱管理難度。質量良好的非線性晶體如LBO晶體，對激光的本征吸收可低至數十ppm，即1 kW激光在LBO晶體內僅產生幾十mW的熱量，對激光光束質量惡化影響微乎其微。這個特點使得該激光合束新方法在高功率高光束質量諧波激光產生領域相比于傳統的技術方案具備顯著的優勢。
 

　　該方法為理化所科研人員原創發明，并申請了發明專利(2023107682710、2024203887514)。其不僅適用于倍頻激光功率合成，還適用三倍頻以及和頻激光功率合成。不論以何種技術方案獲得高性能子激光束，均可再采用該方法實現諧波激光輸出功率數量級的提升。預期應用于工業精密加工超快綠光及紫外激光器可實現輸出功率斷代式領先的優勢。