HiLASE激光裝置新突破：千瓦級高能頻率轉換器的輸出能量達95J

　　通過補償高能高平均功率激光裝置Bivoj/DiPOLE的熱應力誘導雙折射，實現了基頻（1030 nm）到二次諧波頻率（515 nm）的有效轉換，輸出能量為95 J，平均功率為950 W，且光束均勻性好。

　　概要

　　高能量、高平均功率（high-energy-high average power, HE-HAP）二極管泵浦激光系統的頻率轉換技術廣泛應用于水下激光增強、激光誘導損傷測試、光學參量啁啾脈沖放大（Optical Parametric Chirped Pulse Amplifiers, OPCPA）以及慣性約束聚變等領域。近日，捷克HiLASE研究團隊聯合英國中央激光裝置（CLF）的研究人員在Bivoj/DiPOLE激光系統中實現了重大突破，在10 Hz的重復頻率下，輸出了能量為95 J、平均功率為950 W的二次諧波（Second Harmonic Generation, SHG）。相較于現有系統60 J的最高脈沖能量記錄，該方法使得二極管泵浦激光系統的輸出能量提升了58%。

　　該研究成果發表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第5期，并被選為封面文章(Martin Divoky, Jonathan Phillips, Jan Pilar, Martin Hanus, Petr Navratil, Ondrej Denk, Tomas Paliesek, Patricie Severova, Danielle Clarke, Martin Smrz, Thomas Butcher, Chris Edwards, John Collier, Tomas Mocek. Kilowatt-class high-energy frequency conversion to 95 J at 10 Hz at 515 nm[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(5): 05000e65) 。

　　高能量激光器中的熱應力誘導雙折射挑戰

　　高能量、高平均功率的脈沖激光器在增益介質中會產生大量熱量，引起熱應力誘導的雙折射效應。這會導致光學材料由各向同性轉變為各向異性狀態，影響光束在橫截面上的不均勻偏振，降低輸出光束質量。這種偏振變化通常難以察覺，只有當光束通過特定的偏振敏感設備（如偏振器）或應用于偏振敏感的過程（例如諧波頻率轉換）時才顯現，這會導致非偏振狀態下的能量損失可高達50%，顯著降低光學轉換的整體效率。

　　通過對1 μm波長的光進行二次諧波生成，可產生約500 nm波長的綠光，以用于驅動超短脈沖激光器，如鈦寶石的CPA系統或OPCPA系統。此外，它還可應用于激光沖擊強化（Laser Shock Peening, LSP）技術，提升機械部件耐用性。LSP通常采用一層薄水膜來限制激光產生的沖擊波在零件中的傳播，但在具有復雜形狀的零件上形成這種約束層可能存在挑戰。使用500 nm波長的光源能夠使這類零件完全浸沒在水中進行LSP處理，這是采用1 μm波長的輻射所無法實現的，因為1 μm波長的輻射在水中的吸收率極高。

　　如果使用高平均功率（HAP）激光器，可以提高上述應用的吞吐量。然而，熱應力誘導的雙折射使得HAP二次諧波轉換效率非常低。本文討論了與諧波轉換有關的熱問題，提出了高性能激光器系統，將極化損耗從30%降低到約3%，實現了幾乎97%的可用能量高效率轉換。

　　創新性高功率激光系統：Bivoj/DiPOLE激光器的技術突破

　　研究團隊報道了Bivoj/DiPOLE高平均功率Yb:YAG激光系統（如圖1），該系統利用定制的三硼酸鋰（Lithium Triborate, LBO）晶體，成功實現了從1030 nm到515 nm波長的高效率頻率轉換。

　　圖1 激光系統Bivoj/DiPOLE

　　該激光系統在10 Hz的重復頻率下運行，能夠產生高達130 J的輸出能量，其平頂脈沖持續時間為10 ns，上升/下降時間約0.75 ns，光譜中心位于1029.8 nm，帶寬約為1 pm。放大器頭中的熱量耗散會在Yb: YAG增益介質中產生應力，從而產生雙折射并改變光束的偏振狀態，形成不均勻偏振。當該光束通過線性偏振器傳播時，其部分能量會不可避免地被抑制，導致能量損失。為解決該問題，研究團隊采用自定義偏振法對Bivoj/DiPOLE激光系統末端激光放大器的偏振響應進行評估，以實現對任意輸入偏振狀態的數值優化。通過分析雙折射介質對各種偏振態的影響，確定最佳的輸入偏振態，以實現均勻的輸出偏振態。精確調節入射端波片的取向，可最大限度減少放大過程中的偏振不均勻性。在放大器輸出端，通過調整另一對波片，使輸出光束呈線性偏振狀態。放大器頭和轉換晶體的詳細原理圖如圖2所示。

　　圖2 放大器頭和轉換晶體的詳細原理圖

　　使用這種方法，極化損耗從30%降低到約3%，使可用能量的轉換從70%提升到了幾乎97%。然而，波長轉換過程本身并不是100%有效的。由于高熱負荷，轉換晶體受熱，產生熱梯度，導致最佳轉換條件在晶體孔徑上發生偏移，從而降低了整體轉換效率。盡管如此，在515 nm處二次諧波的能量達到了96 J，轉換效率為79%，若忽略退偏損失，則轉換效率可達到81.5%。基頻輸入光束的近場光束輪廓及其在95 J能量下對應的轉換光束如圖3(a)和3(b)所示。

　　圖3 在10 Hz重復頻率下，基頻輸入光束（a,1030 nm，能量為121 J）和轉換后的二次諧波頻率光束（b,515 nm，能量為95 J）的近場光束輪廓

　　總結與展望

　　研究團隊首次在10 Hz的重復頻率、515 nm波長下實現了95 J的二次諧波輸出，相較于現有技術，輸出能量增加了58%。該二次諧波過程是通過使用置于溫度控制支架中的LBO晶體實現的。通過解決放大器鏈中產生的由應力引起的非均勻偏振變化問題，實現了轉換光束近場輪廓的良好均勻性和高轉換效率。這項工作為高能、高功率的頻率轉換鋪平了道路，擴展了Bivoj/DiPOLE激光器的應用潛力。在未來，有望應用相同的方法來提高三次諧波轉換效率，產生用于慣性聚變發電廠的波長，降低用于壓縮燃料的激光器功耗，并在半導體工業中用于退火。下一步研究將集中在三次諧波頻率的生成和優化轉換晶體中的熱梯度上，以進一步提高二次和三次諧波轉換的效率。

　　捷克HiLASE負責人Tomas Mocek評論道：“隨著高能頻率轉換技術的突破，我們為激光應用開辟了新的前景。通過水下激光沖擊強化提高機械部件的耐久性，到推進超短、高強度激光系統，其影響是深遠的。HiLASE將為科學用戶和工業合作伙伴提供這種尖端的千瓦級綠色激光源。我們期待著合作，充分挖掘Bivoj/DiPOLE激光技術的潛力！”