据中国激光杂志社网，于2025年03月31日报道，高平均功率的近紫外波段激光通常通过近红外激光的高效频率转换实现。近日，捷克HiLASE激光设施通过将1030 nm高功率激光进行Ⅰ类谐波转换至515 nm波长，随后进行Ⅱ类谐波转换至343 nm波长，最终在10 Hz重复频率下实现了50 J的三次谐波能量输出，创造了新的纪录。
过去十年中，高能量激光在平均功率输出方面取得了显著进展，这主要得益于二极管泵浦技术以及支持高效散热的新型放大器几何结构（如多板条、InnoSlab或碟片结构）的发展。更高的平均功率输出使高能量激光能够广泛应用于工业生产，并推动其进一步发展。例如，在激光冲击处理金属材料表层以增强部件强度和使用寿命的应用中，通常选择近红外激光，因为该过程对此波长敏感，且现有激光器已能够提供所需功率。然而，在其他应用（如激光诱导损伤测试、硅退火或惯性聚变实验）中，则需要更短的波长。由于缺乏合适的激光材料，目前无法直接利用高平均功率激光产生高能量短波激光。为此，通常采用非线性晶体将激光频率转换到其谐波频率（激光波长的分数或频率的倍数）。在有利条件下，能量转换效率可达百分之几十。然而，对于高平均功率激光器而言，这种方法存在一个主要缺点，即对偏振的敏感性。能够实现高平均功率输出的高能量激光器通常会受到严重的去极化效应（光束在横截面上的不均匀偏振）影响，从而限制最终参量过程的效果。因此，为确保高效的谐波转换，必须减少源激光系统中的极化损耗。
在捷克的HiLASE激光设施上，高能量高平均功率激光系统Bivoj采用了一种新型的自定义偏振测量技术，将极化损耗优化至总光束能量的3.4%以下。这一优化使该激光器能够用于高效的谐波转换实验。研究人员在成功实现近1 kW的二次谐波输出（515 nm波长、10 Hz重复频率、95 J）后，在最近的实验中进一步突破了500 W平均功率的三次谐波输出（343 nm波长）的新纪录。这一成果是通过将1030 nm的基频激光依次经过磷酸锂硼酸盐晶体（LBO）中的Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配实现的，从而获得了紫外波段的高平均功率输出。
该研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering2024年第6期，并被选为封面文章（Jan Pilar, Martin Divoky, Jonathan Phillips, Martin Hanus, Petr Navratil, Ondrej Denk, Patricie Severova, Tomas Paliesek, Danielle Clarke, Martin Smrz, Thomas Butcher, Chris Edwards, Tomas Mocek, "Half-kilowatt high-energy third-harmonic conversion to 50 J @ 10 Hz at 343 nm," High Power Laser Sci. Eng. 12, 06000e96 (2024)）。
实验方法
实验布局如图1所示。首先，1053 nm的基频光通过第一个二次谐波LBO晶体转换为515 nm的二次谐波。该晶体安装在密封支架中以稳定其温度，提高了转换稳定性。随后，残余泵浦光在第二个三次谐波LBO晶体中通过Ⅱ类相位匹配，将二次谐波输出进一步转换为343 nm的三次谐波。三次谐波晶体同样放置在具有温度稳定功能的支架上。两块LBO晶体均保持在30℃，以提供最高的转换效率。两对零级波片用于补偿Bivoj末级放大器的热致偏振变化，其中后一对零级波片还用于调整LBO晶体输入端的偏振，使其与晶体主平面平行，从而最大化整体转换效率。在LBO晶体之后，波长分别为1030 nm、515 nm和343 nm的光束被一组悬浮在水箱中的有色玻璃滤光片构成的光束收集器吸收。在光束收集器前方放置了一个电介质涂层取样楔，用于获取低功率样品光束以进行诊断。样品光束的各个波长成分通过一对二向色镜分离，每条诊断线均配备一个能量计和一个监测光束轮廓的相机。
通过优化Bivoj激光系统的输入和输出偏振，提高了光束偏振的均匀性，使得约96%的能量处于适合频率转换的偏振状态。在完成偏振优化后，首先使用低能量光束将两个LBO晶体插入光路。随后，逐步将二次谐波和三次谐波晶体的输入能量增加至86.5 J，并优化两个晶体的相位匹配角，以最大限度地提高三次谐波产额。
实验结果
在二次谐波恒温箱温度稳定化以及二次谐波LBO晶体相位匹配角微调后，最终的相位匹配角优化结果如图2所示，输出能量增加至近50 J，转换效率达到53.5%。若仅考虑p偏振的可转换能量，转换效率可进一步提高至55.5%。三次谐波的能量稳定性表现为：均方根（RMS）为1.1%，峰峰值（P-t-P）为7.5%。
总结与展望
该研究首次实现了10 Hz重复频率下50 J的高能量三次谐波（343 nm）输出，其平均功率输出比现有紫外激光器提高了两倍多，而在高能量激光这一特定领域，更是比现有技术水平提高了四倍。三次谐波通过倍频获得的二次谐波与残余基频光和频产生，转换过程使用了两个安装在温控支架中的LBO晶体。输出光束为方形超高斯分布，具有较好的能量均匀性。在热平衡后，三次谐波输出的能量稳定性较好，均方根值达到1.1%。实验测量显示，三次谐波的整体转换效率为53%，这表明在LBO晶体中产生了不可忽视的热梯度。若能有效最小化这些热梯度，可能进一步提高三次谐波效率。
该研究的成果在激光聚变领域具有重要意义。在美国国家点火装置（NIF）的最新实验中，高强度紫外光被用于燃料点火。正向能量平衡的重复实现使聚变能输出取得了显著进展。NIF装置工作在单发模式下，对于设想中的激光驱动核聚变电站，激光的重复频率至少需要达到10 Hz，以确保过程的可持续性。这一要求使HiLASE的最新成果被视为对技术路径可行性的重要展示。未来，谐波产生技术的进一步发展应聚焦于提高转换效率，并以更高的脉冲能量为目标，从而满足下一代紫外光应用的性能需求。
