脉冲激光共轴合束新方法——谐波共轴合束

中国科学院理化技术研究所新体制高能固态激光技术组与安徽华创鸿度光电科技有限公司合作，在激光合束技术领域取得重要突破。研究团队创新性地提出了一种名为“谐波共轴合束（HBCC）”的脉冲激光共轴合束新方法，并采用高功率皮秒激光系统进行了实验验证。结果表明，该方法操作简便、合束效率高，且能有效保持良好的光束质量。

研究成果以“Harmonic beam coaxial combination delivering 132.5 W picosecond green laser”为题，于2025年10月13号在线发表在IEEE Photonics Technology Letters上。

1、研究背景

对于高能固体激光系统，增益介质热效应是限制其功率进一步提升的主要因素，且严重的热效应会导致激光光束质量加速恶化，直至难以满足应用需求。当单束激光性能难以再提升时，激光合束技术是激光系统功率进一步定标提升同时保持光束质量的终极途径。

当前，国际领域激光合束方法主要有相干合束、光谱合束、偏振合束等，这些合束方法均得到不同程度的应用并取得一系列成果。然而这些方法适用条件各不相同，仅能满足部分激光系统合束需求。比如，相干合束通常需子激光束窄线宽并依赖高带宽相位锁定，系统复杂、对环境敏感，长期处于研究阶段；光谱合束要求各子激光束波长不同，才能采用光栅等色散器件将多束子激光共轴合为一束，这导致大多数单波长激光系统无法采用这种合束方式；偏振合束实现简便，却基本只能两路合束，难以无损扩展到多路。跳出这些已有的激光合束原理范畴，研究团队提出一种操作简单，全被动式、合束效率高同时具备可扩展性的激光合束新方法具有重要的学术价值和产业价值。

2、研究创新点

激光合束技术是一项既古老又前沿的技术，古老是因为现有的几种激光共轴合束方法基本原理早已被提出，很难跳出这些基本原理提出新的合束方法；前沿是因为相干合束、光谱合束等技术仍在不断发展，应用于国际领域最先进的高能激光系统。本研究的创新点在于原创提出一种激光共轴合束新方法。研究团队发现在一定条件下倍频等谐波产生过程具有非逆性“窗口区”，即当一束激光以高效产生倍频光等谐波的功率密度（通常约为百MW量级）通过非线性晶体后，谐波激光再以相同的功率密度通过同样的非线性晶体时不会发生逆转换，而是近乎无损地通过非线性晶体，这是因为发生逆转换的功率密度阈值往往再高出一个量级以上（GW量级）。利用这个特性，研究人员可以不断地将基频激光共轴添加到已有的倍频激光束后再重复倍频过程，在这个过程中已有的倍频激光功率不损失，新添加的基频激光也会高效转化为倍频激光，从而完成多束谐波激光的共轴合束，功率无损叠加的同时其光束质量可保持与单束子激光束相同。

图1 激光谐波共轴合束原理示意图

研究团队采用两台独立的1064 nm皮秒激光器进行高功率皮秒激光共轴合束演示验证，每台激光器均具有重频400 kHz、光束质量因子M2<1.2，平均功率均为约112 W。每束基频激光通过LBO晶体倍频分别能产生约66 W的532nm皮秒倍频激光，脉宽约6.9 ps。经过谐波共轴合束操作，合束后的532 nm皮秒激光保持了单一波长，功率达到132.5 W，重频800 kHz，合束效率高达99.9%，合束后的激光仍保持在M2≈1.26高光束质量，并且仍然保持偏振度＞140:1的线偏振度。更多数量的子激光束以相同的步骤可进一步实现更高功率皮秒激光功率合成。

图2高功率皮秒激光谐波共轴合束示意图

图3用于合束的两束高功率皮秒子激光性能参数：（a）输出功率；（b）脉冲宽度；（c）光束质量

图4谐波共轴合束后高功率皮秒绿光性能：（a）脉冲重复频率；（b）光束质量

这种谐波共轴合束方法优势可进一步归结为将激光系统中激光增益介质的高产热率过程转移到非线性晶体的低产生热率过程上，使非线性晶体同时兼顾合束器件的作用，从而大幅减小激光系统热管理难度。质量良好的非线性晶体如LBO晶体，对激光的本征吸收可低至数十ppm，即1 kW激光在LBO晶体内仅产生几十mW的热量，对激光光束质量恶化影响微乎其微。这个特点使得该激光合束新方法在高功率高光束质量谐波激光产生领域相比于传统的技术方案具备显著的优势。

3、总结与展望

研究团队原创提出并验证了新的谐波共轴合束方法在高功率皮秒绿光合束方面的可行性，其不仅适用于倍频激光功率合成，还适用三倍频以及和频激光功率合成。基于现有的技术方案如碟片激光技术，只要能获得高性能子激光束，均可再采用该方法实现倍频等谐波激光输出功率数量级的提升。预期应用于工业精密加工超快绿光及紫外激光器可实现输出功率飞跃式领先的优势。

论文共同第一作者为中国科学院理化技术研究所博士生张奥楠和安徽华创鸿度光电科技有限公司工程师舒剑，通讯作者为中国科学院理化技术研究所副研究员刘可。该工作得到中国科学院青年创新促进会的大力支持。

来源：中国▪光学十大进展