【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】增益介質(zhì)熱效應(yīng)是限制高能固體激光系統(tǒng)功率進一步提升的主要因素，且嚴(yán)重的熱效應(yīng)會導(dǎo)致激光光束質(zhì)量加速惡化，直至難以滿足應(yīng)用需求。當(dāng)單束激光性能難以再提升時，激光合束技術(shù)是激光系統(tǒng)功率進一步定標(biāo)提升并保持光束質(zhì)量的終極途徑。
 

　　當(dāng)前，國際領(lǐng)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(yīng)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(tǒng)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(fù)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(dǎo)致大多數(shù)單波長激光系統(tǒng)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(xué)術(shù)價值和產(chǎn)業(yè)價值。
 

　　近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所新體制高能固態(tài)激光技術(shù)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(zhì)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(dāng)一束激光以高效產(chǎn)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(fā)生逆轉(zhuǎn)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(fù)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(zhì)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(lián)合安徽華創(chuàng)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(zhì)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(chǎn)生約66 W的532nm皮秒倍頻激光。經(jīng)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(zhì)量狀態(tài)，并且仍然保持偏振度>140:1的線偏振度。更多數(shù)量的子激光束以相同的步驟可進一步實現(xiàn)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(jīng)諧波共軸合束后激光束保持良好的光束質(zhì)量
 

　　相關(guān)成果發(fā)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(jié)為將激光系統(tǒng)中激光增益介質(zhì)的高產(chǎn)熱率過程轉(zhuǎn)移到非線性晶體的低產(chǎn)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(tǒng)熱管理難度。質(zhì)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(shù)十ppm，即1 kW激光在LBO晶體內(nèi)僅產(chǎn)生幾十mW的熱量，對激光光束質(zhì)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(zhì)量諧波激光產(chǎn)生領(lǐng)域相比于傳統(tǒng)的技術(shù)方案具備顯著的優(yōu)勢。
 

　　該方法為理化所科研人員原創(chuàng)發(fā)明，并申請了發(fā)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(shù)方案獲得高性能子激光束，均可再采用該方法實現(xiàn)諧波激光輸出功率數(shù)量級的提升。預(yù)期應(yīng)用于工業(yè)精密加工超快綠光及紫外激光器可實現(xiàn)輸出功率斷代式領(lǐng)先的優(yōu)勢。