【资讯】四脉冲协同放大：全固态皮秒激光能量提升54.2%

2026-10-28 17:17:29

 高能皮秒激光兼具较高峰值功率和相对可控的脉冲宽度，在强场物理、极端非线性光学、精密加工以及高能量密度科学等领域具有重要应用。随着脉冲能量持续提高，放大过程中的晶体损伤、增益饱和、自相位调制和自聚焦等问题越来越突出。传统啁啾脉冲放大可以降低放大过程中的峰值功率，但对于高能皮秒系统而言，增益介质损伤和非线性积累仍是限制能量提升的重要因素。

       在固体激光放大器中，单个超短脉冲的能量越高，脉冲在增益介质和光学元件中的瞬时光强越大，自相位河调制、自聚焦以及光学元件损伤风险也随之增加。同时，强脉冲会更快消耗局部反转粒子数，使放大过程进入增益饱和，进一步限制能量提取效率。

       分脉冲放大的基本思想是将一个高峰值功率脉冲在时间域或空间域拆分成多个较弱的子脉冲，使其分别经过放大后，再从输出端重新合为一个脉冲。子脉冲的峰值功率和非线性相移降低，因此能够在降低器件损伤风险的条件下，提高输出能量。此前分脉冲放大（divided-pulse amplification, DPA）已经在光纤和端泵固体激光器中取得了不少成果，但在侧泵、高储能全固态行波放大器中鲜有尝试。

       河北大学余锦团队、中国科学院物理研究所超快物质科学中心合作团队在Laser and Particle Beams 2026年第2期发表研究论文“Cascaded splitting, amplification, and recombination for energy enhancement in an all-solid-state travelling-wave picosecond laser amplifier”。研究团队采用DPA思路，将10 ps种子脉冲分成4个能量一致的子脉冲，分别在侧泵Nd:YAG放大模块中放大，再通过偏振和时间控制实现重组。实验在1 kHz下获得3.7 mJ、7.23 ps输出，相比单脉冲直接放大方案脉冲能量提高54.2%。

       本工作采用45°线偏振光入射与45°薄膜偏振片（Thin-Film Polarizer, TFP）级联分束的方式，将10 ps种子脉冲分成4个能量近似相等的子脉冲。经过光束整形后，四个子脉冲依次进入侧泵Nd:YAG模块进行双通放大，再利用与分束端对应的薄膜偏振片，通过控制偏振态以及不同偏振光之间的延迟量实现时间域重组。这样的结构提升了脉冲能量提取效率，同时降低了任一时刻单个脉冲的峰值强度。

图1 四脉冲分脉冲放大全固态皮秒激光系统。种子脉冲经级联分束形成4个子脉冲，分别放大后再通过偏振与时间控制重组。图源：原论文Fig. 1

       为了进一步理解分脉冲方案的能量提取机制，作者建立了时空离散Frantz–Nodvik模型，对不同脉冲数下的增益饱和、能量提取和空间分布进行模拟。理论与实验结果均表明，随着脉冲由1个增加到2个、4个，整体增益饱和程度降低、储能提取效率上升。

       在150 μJ种子能量下，四脉冲方案最终获得3.7 mJ合成输出，脉宽为7.23 ps。与相同放大条件下的单脉冲方案相比，输出能量提高54.2%。这一结果说明，即使考虑分束、偏振和重组过程中的附加损耗，分脉冲架构带来的增益提取优势仍然能够转化为显著的净能量提升。

       除脉冲能量外，该工作还关注了高能侧泵固体放大器常见的空间不均匀和退偏问题。四脉冲方案的输出光斑峰均比（PAR）优化至约1.35，而单脉冲方案约为2.66，说明输出能量分布明显更加均匀。

图2 不同分脉冲方案的输出光束与放大性能比较。四脉冲DPA在提升输出功率的同时改善了光束均匀性，并表现出更有利的增益提取特征。图源：原论文Fig. 3–4

       系统在1 kHz重复频率下连续运行12 h，输出功率相对均方根波动为0.53%，显示出较好的长期稳定性。对于需要高重复频率、高脉冲能量和工程可靠性的皮秒激光系统而言，稳定性与能量指标同样重要。

       该工作在侧泵Nd:YAG全固态行波放大器中实现了四脉冲级联分束、独立放大和偏振重组，并通过实验与模型共同说明，在全固态毫焦耳放大器中，分脉冲方案能够推迟增益饱和、提高储能提取效率。3.7 mJ、7.23 ps、54.2%能量提升以及12 h/0.53%的稳定性构成了较完整的性能验证。

       与单纯增加泵浦能量或增大增益介质尺寸相比，DPA提供了一种通过时域分离脉冲、降低峰值功率，从而提升能量提取效率的思路。未来若进一步提高分束/合束效率、优化热管理与退偏补偿，并向更多脉冲通道或更高储能放大级扩展，该技术有望成为高能、高重复频率全固态皮秒激光系统的一条重要能量扩展路线。

参考文献： 中国光学期刊网

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