在制造、極紫外光刻、阿秒科學等前沿領域，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性能的“三角挑戰"；突破這一瓶頸的“三高"激光器，正是驅動裝備發展的“光之引擎"。

固體激光器因結構緊湊、技術成熟，長期以來是實現高峰值功率的主力。其中，棒狀增益介質（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化為熱，導致晶體內部產生溫度梯度，引發熱透鏡和波前畸變，光束質量急劇惡化，甚至導致晶體破裂。盡管板條、薄片等新型結構在熱管理上表現更優，但它們或結構復雜或成本高昂。在這一背景下，傳統棒狀方案是否仍具潛力？通過對熱致像差的系統研究，浙江大學劉崇教授團隊發現熱致球差才是光束質量惡化的“元兇"。

過去，棒狀激光器光束質量在高功率下急劇惡化的根本原因長期模糊不清，制約了系統性優化。Neubert和Eppich在2005年發表的工作中提出了將光束質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中普遍存在的、導致光束質量惡化的主導像差。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"棒狀結構的功率潛力。

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放大器前，利用自適應光學系統中常見的波前整形器件，例如空間光調制器（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、可動態迭代優化，適用于復雜多級系統，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。

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的相位補償板，對晶體產生的正球差進行補償，原理如圖3（a）所示。2007年，以色列有關科研人員利用球差補償系統實現了較好光束質量的Nd:YAG激光輸出，但是其輸出模式仍是多模，光束質量因子在2以上[2]。2013年，清華大學研究人員利用可變形鏡對光束質量惡化后的激光進行后補償，優化了光束質量，但是由于可變形鏡承受功率有限，只實現了31 W的連續紅外光輸出[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化光束質量，因此該技術非常適用于高功率多級放大器。不過，該技術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；(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，系統更緊湊，原理如圖4（a）所示。2018年，有關科研人員實現了基于Nd:YAG側面泵浦的雙通自補償皮秒放大，成功利用放大級球差實現互補償，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的固體亞納秒放大裝置，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) 棒狀介質放大器光束質量互補償原理；(b) 基于互補償的Nd:YVO4皮秒放大系統

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，制約其發展的并非結構本身，而是對熱效應理解不足。球差作為共性問題，其補償技術具有普適性，可推廣至多種固體激光系統。未來，隨著泵浦功率持續提升，結合更多光束質量管理技術的提出與運用，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勢，將在制造、強場物理等領域發揮不可替代的作用。

參考文獻： 中國光學期刊網

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