HiLASE激光装置新突破：千瓦级高能频率转换器的输出能量达95 J！
通过补偿高能高平均功率激光装置Bivoj/DiPOLE的热应力诱导双折射，实现了基频（1030 nm）到二次谐波频率（515 nm）的有效转换，输出能量为95 J，平均功率为950 W，且光束均匀性好。
高能量、高平均功率（high-energy-high average power, HE-HAP）二极管泵浦激光系统的频率转换技术广泛应用于水下激光增强、激光诱导损伤测试、光学参量啁啾脉冲放大（Optical Parametric Chirped Pulse Amplifiers, OPCPA）以及惯性约束聚变等领域。近日，捷克HiLASE研究团队联合英国中央激光装置（CLF）的研究人员在Bivoj/DiPOLE激光系统中实现了重大突破，在10 Hz的重复频率下，输出了能量为95 J、平均功率为950 W的二次谐波（Second Harmonic Generation, SHG）。相较于现有系统60 J的最高脉冲能量记录，该方法使得二极管泵浦激光系统的输出能量提升了58%。
该研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第5期，并被选为封面文章(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、高平均功率的脉冲激光器在增益介质中会产生大量热量，引起热应力诱导的双折射效应。这会导致光学材料由各向同性转变为各向异性状态，影响光束在横截面上的不均匀偏振，降低输出光束质量。这种偏振变化通常难以察觉，只有当光束通过特定的偏振敏感设备（如偏振器）或应用于偏振敏感的过程（例如谐波频率转换）时才显现，这会导致非偏振状态下的能量损失可高达50%，显著降低光学转换的整体效率。
通过对1 µm波长的光进行二次谐波生成，可产生约500 nm波长的绿光，以用于驱动超短脉冲激光器，如钛宝石的CPA系统或OPCPA系统。此外，它还可应用于激光冲击强化（Laser Shock Peening, LSP）技术，提升机械部件耐用性。LSP通常采用一层薄水膜来限制激光产生的冲击波在零件中的传播，但在具有复杂形状的零件上形成这种约束层可能存在挑战。使用500 nm波长的光源能够使这类零件完全浸没在水中进行LSP处理，这是采用1 µm波长的辐射所无法实现的，因为1 µm波长的辐射在水中的吸收率极高。
如果使用高平均功率（HAP）激光器，可以提高上述应用的吞吐量。然而，热应力诱导的双折射使得HAP二次谐波转换效率非常低。本文讨论了与谐波转换有关的热问题，提出了高性能激光器系统，将极化损耗从30%降低到约3%，实现了几乎97%的可用能量高效率转换。
创新性高功率激光系统：Bivoj/DiPOLE激光器的技术突破
研究团队报道了Bivoj/DiPOLE高平均功率Yb:YAG激光系统（如图1），该系统利用定制的三硼酸锂（Lithium Triborate, LBO）晶体，成功实现了从1030 nm到515 nm波长的高效率频率转换。
该激光系统在10 Hz的重复频率下运行，能够产生高达130 J的输出能量，其平顶脉冲持续时间为10 ns，上升/下降时间约0.75 ns，光谱中心位于1029.8 nm，带宽约为1 pm。放大器头中的热量耗散会在Yb: YAG增益介质中产生应力，从而产生双折射并改变光束的偏振状态，形成不均匀偏振。当该光束通过线性偏振器传播时，其部分能量会不可避免地被抑制，导致能量损失。为解决该问题，研究团队采用自定义偏振法对Bivoj/DiPOLE激光系统末端激光放大器的偏振响应进行评估，以实现对任意输入偏振状态的数值优化。通过分析双折射介质对各种偏振态的影响，确定最佳的输入偏振态，以实现均匀的输出偏振态。精确调节入射端波片的取向，可最大限度减少放大过程中的偏振不均匀性。在放大器输出端，通过调整另一对波片，使输出光束呈线性偏振状态。放大器头和转换晶体的详细原理图如图2所示。
图2 放大器头和转换晶体的详细原理图
使用这种方法，极化损耗从30%降低到约3%，使可用能量的转换从70%提升到了几乎97%。然而，波长转换过程本身并不是100%有效的。由于高热负荷，转换晶体受热，产生热梯度，导致最佳转换条件在晶体孔径上发生偏移，从而降低了整体转换效率。尽管如此，在515 nm处二次谐波的能量达到了96 J，转换效率为79%，若忽略退偏损失，则转换效率可达到81.5%。基频输入光束的近场光束轮廓及其在95 J能量下对应的转换光束如图3(a)和3(b)所示。
图3 在10 Hz重复频率下，基频输入光束（a,1030 nm，能量为121 J）和转换后的二次谐波频率光束（b,515 nm，能量为95 J）的近场光束轮廓
研究团队首次在10 Hz的重复频率、515 nm波长下实现了95 J的二次谐波输出，相较于现有技术，输出能量增加了58%。该二次谐波过程是通过使用置于温度控制支架中的LBO晶体实现的。通过解决放大器链中产生的由应力引起的非均匀偏振变化问题，实现了转换光束近场轮廓的良好均匀性和高转换效率。这项工作为高能、高功率的频率转换铺平了道路，扩展了Bivoj/DiPOLE激光器的应用潜力。在未来，有望应用相同的方法来提高三次谐波转换效率，产生用于惯性聚变发电厂的波长，降低用于压缩燃料的激光器功耗，并在半导体工业中用于退火。下一步研究将集中在三次谐波频率的生成和优化转换晶体中的热梯度上，以进一步提高二次和三次谐波转换的效率。
捷克HiLASE负责人Tomas Mocek评论道：“随着高能频率转换技术的突破，我们为激光应用开辟了新的前景。通过水下激光冲击强化提高机械部件的耐久性，到推进超短、高强度激光系统，其影响是深远的。HiLASE将为科学用户和工业合作伙伴提供这种尖端的千瓦级绿色激光源。我们期待着合作，充分挖掘Bivoj/DiPOLE激光技术的潜力！”
