近日，河北工业大学先进激光技术中心与河北省先进激光技术与装备重点实验室的科研团队在高功率激光科学与工程领域取得重要进展。相关研究成果以 “Passive spherical aberration compensation in laser diode side - pumped master oscillator power amplifier laser systems” 为题，发表于国际知名期刊《High Power Laser Science and Engineering》。论文的通信作者为河北工业大学的Yulei Wang。文章提出一种利用4f系统和0°反射镜被动补偿激光二极管侧泵主振荡功率放大器（MOPA）系统中热透镜效应引起的球差的方案，有效提高了放大激光的光束质量和放大器效率。

图1. 在不同泵浦功率下：(a) 单通和双通放大激光能量的变化；(b) 单通和双通放大时Nd:YAG晶体上能级粒子提取效率的变化。

图2. 不同泵浦功率下Nd:YAG晶体棒热焦距的变化情况。

1.研究背景：

固态激光器的发展目标是实现高光束质量和高功率输出，这在医疗、激光雷达、激光测距、激光加工等领域至关重要。例如，在医疗领域，激光的高光束质量和精确能量控制可用于眼科手术、肿瘤治疗等，能更精准地作用于目标组织，减少对周围健康组织的损伤；在激光雷达和激光测距中，高功率和高质量光束可实现更远距离、更精确的测量；在激光加工领域，有助于提高加工精度和效率，满足精密制造需求。 MOPA系统因具备分级放大和精确控制光束质量的能力，在高功率激光研究中备受关注。然而，在其放大过程中，增益介质（如Nd:YAG晶体）的热积累效应成为限制其性能提升的关键因素。热积累会引发多种不良现象：

热透镜效应：增益介质内产生温度梯度，导致棒状增益介质折射率随温度变化，按照二阶近似，这种变化使得晶体的热光系数dn/dT呈现径向梯度分布，不同位置的热传导性能也随之改变，进而使光学功率D(r)成为径向坐标r的函数，原本的平面晶体就像变成了具有球差的透镜，这会严重影响激光的聚焦效果，使光斑尺寸变大、能量分布不均匀，降低了激光的加工精度和测量准确性。

热退偏和热致双折射：这些现象会改变激光的偏振状态，降低激光的能量利用率，在一些对偏振态要求严格的应用场景，如光通信、精密光学测量等，会导致系统性能下降甚至无法正常工作。 为解决这些问题，研究人员主要探索了两种途径：减轻增益介质热效应：通过增加晶体与冷却系统的热交换面积，可加快热量散发，降低晶体温度，减少热积累；运用温度控制系统精确调节晶体周围温度，维持晶体工作环境的稳定；调整泵浦光和种子光的分布，使激光能量在增益介质中更均匀地吸收和转换，从而在一定程度上提高放大激光的光束质量。但在高功率泵浦条件下，这些方法仍难以完全消除热透镜效应、热退偏和热致双折射等问题对激光性能的影响。

图3. 透镜的无量纲像差系数C4f与透镜形状因子q和成像参数p的关系图。

引入专门光学器件补偿球差：常用的球差补偿器（SACs）可校正放大激光的波前，改善光束质量。然而，MOPA系统中球差会随泵浦功率变化，而外部引入的球差补偿器参数固定，这就需要一系列不同参数的SACs来进行补偿，增加了激光系统的复杂性和成本，同时也降低了系统的稳定性和可靠性。 综上所述，目前在补偿热透镜效应引入的球差方面，利用增益介质自身热量的研究相对较少，亟待深入探索。这不仅有助于提升MOPA系统的性能，满足各领域对高功率、高质量激光的需求，还能推动固态激光技术的进一步发展，具有重要的理论意义和实际应用价值。

图6. 在不同泵浦功率水平下，评估通过侧泵放大器LD2进行单通放大、M5位于位置A时的双通放大以及没有4f系统的普通双通放大时的激光光束质量因子My2,Mx2。

2.理论模型

热透镜焦距与球差关系：增益介质内温度梯度使棒状增益介质折射率随温度变化，导致光学功率成为径向坐标的函数，平面晶体变为具有球差的透镜。Nd:YAG晶体棒热透镜焦距与泵浦功率相关，泵浦功率增加，热透镜焦距减小，影响激光输出功率和光束质量。

光束质量因子与球差关系：光学系统中含球差光学元件时，输出激光光束质量因子M2由初始光束质量因子Mr02和球差引起的附加因子Mrq2决定。在MOPA放大过程中，增益介质热效应使Nd:YAG晶体棒等效为透镜，其球差相关系数C4与成像参数等有关。当0°镜置于单通放大光束焦点时，热透镜效应引起的球差可相互补偿，理论上能改善光束质量。

新型双通放大装置原理：提出基于Nd:YAG晶体的新型双通放大装置，由侧泵放大器、4f系统、四分之一波片和0°反射镜组成。激光经单通放大后，利用Nd:YAG晶体热透镜效应产生的球差相互补偿，4f系统可提高激光系统对失准的敏感度、降低光束空间频谱、校正光斑均匀性、保持光束相干性，优化放大光束模式结构和补偿光束畸变，提升光束质量和优化光场畸变。

图8. 在不同泵浦功率水平下，LD2单通放大激光的光束质量因子My2、Mx2，以及M5分别置于双通配置中A、B、C位置时放大激光的光束质量因子My2、Mx2 。

3.实验设置：

搭建高光束质量、高效率的MOPA激光系统，种子激光由电光调Q振荡器产生。采用2000W LD2侧泵模块作为放大器，在振荡器后放置隔离装置保护光学元件。用焦距786mm的凹透镜匹配振荡器输出激光与放大器晶体，在LD2侧泵放大器后放置4f系统增强稳定性和失准敏感度。实验中使用多种仪器测量激光的时间特性、脉冲能量和光束质量因子。

图9. 在泵浦功率为60.7W的条件下，当反射镜M5分别位于A、B、C位置时，激光经侧泵放大器LD2进行双通放大。在距离输出孔径25厘米和120厘米处测量光场形状的分布情况。

4.结果与讨论

4f系统对放大激光能量和光束质量的影响：对比单通放大、M5置于位置A的双通放大和无4f系统的普通双通放大三种情况，发现将4f系统引入双通放大系统后，在泵浦功率为60.7W时，放大激光单脉冲能量几乎不变，沿y轴和x轴的光束质量分别提高0.2和0.3，表明4f系统能改善光束质量。

新型双通放大对光束质量、光场分布和能量的影响：调整M5位置，测量不同泵浦功率下放大激光的$M^{2}$值。结果显示，M5置于焦点B时，双通放大激光光束质量高于单通放大；置于A或C位置时，光束质量较差。从光场形状看，M5置于B位置时，25cm处光场形状近似高斯分布，置于A或C位置时光场严重畸变。新型双通放大还提高了放大器效率，降低了激光去极化比例。

图11. 当激光通过侧泵放大器LD2进行单通和双通放大时：(a) 泵浦功率与放大激光能量之间的关系；(b) 泵浦功率与光光转换效率之间的关系。

5. 研究结论：利用Nd:YAG晶体热能补偿热透镜效应引起的球差，有效提高MOPA激光系统输出激光的光束质量。添加4f系统提升了激光系统性能，当0°镜位于单通放大焦点B时，可避免晶体热效应导致的光束质量下降。该方案适用于MOPA激光系统各阶段放大器，为优化系统性能提供支持。

该研究成果利用 Nd:YAG 晶体的热能补偿热透镜效应引起的球差，通过添加 4f 系统优化了激光系统性能。这一方案适用于 MOPA 激光系统各阶段的放大器，为提升 MOPA 激光系统的放大能力、光束质量和光场形状提供了有力支持，有望推动高功率激光技术在更多领域的广泛应用。

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