高功率固体激光放大器普遍存在着热效应问题，制约激光功率的提升、引起激光光束质量的劣化。

这种热效应来源于固体激光介质（掺稀土离子的激光晶体）吸收泵浦光能量后转化出来的热能，对激光晶体的有效散热可缓解热效应，而激光晶体的形状也影响着热效应的程度。采用散热面几何厚度较小、散热面积较大的激光晶体结构更容易提高热导率，提升散热效果；因此数百瓦固体激光放大器采用薄片状或板条状的激光晶体。其中板条激光放大器的系统复杂性相对较为简单，激光晶体被制成薄板状，信号光和泵浦光都被整形成扁平光斑注入板条晶体；待放大的信号光一般整形为扁椭圆状光斑入射到板条放大晶体中，在晶体两侧的平面反射镜来回反射穿过多次板条晶体，实现多通放大；或是入射的圆形信号光斑在板条晶体两侧的球面反射镜来回反射过程中逐渐被球面反射面扩展为椭圆形，并反复穿过板条晶体获得功率放大。

这两种光斑整形措施都需要球面透镜或球面反射镜，甚至搭建共焦非稳腔来约束光束的转折，这些措施均会引入球差影响光束质量，球面光学系统也增加了放大器光路设计、调试复杂性。针对飞秒激光脉冲的宽光谱特性，通过采用面光栅的衍射效应使不同光谱成分的光波沿着不同衍射角传输，从而在空间上分开了不同光谱的光波的传输路径，形成以一定角度发散传输的光斑，在空间构成横向的扁平状类椭圆形光斑。这种发散传输的扁平类椭圆光斑作为板条固体激光放大器的入射信号光束进入板条晶体获得放大。以光栅作为光束扩展横向尺寸的整形器件也简化了信号光整形手段，消除了传统球面光学整形器件的球差问题。

该激光系统前端的信号光光源为低功率啁啾脉冲光纤激光器，激光中心波长1030nm，脉宽数十皮秒，其光谱半高全宽度5nm，能够支持在色散补偿后被压缩至数百飞秒脉宽；信号光源输出激光平均功率5瓦，光束直径2.2mm，线偏振光，偏振方向水平。后续的板条放大器光路系统如图1，包括偏振态转换装置、衍射光束整形装置、增益放大装置、光束回返装置。

图1. 基于衍射光束整形的板条放大器光路示意图

偏振态转换光路通过将回返光偏振方向相对入射光偏振方向正交，实现将双通放大回返光从偏振器件输出；即在信号激光束的传播路径上放置偏振分光棱镜（PBS），水平偏振的入射光束正好与PBS的p光偏振方向一致，低损耗穿过PBS，受到其后λ/2波片的旋转偏振方向，呈相对水平方向45度角度入射向法拉第旋光器；该旋光器将入射光的偏振方向再旋转45度，回到了水平偏振方向，与衍射光栅的最佳衍射效率偏振方向一致。

衍射光束整形光路设置一个缩束望远镜，将光束直径缩小至0.75mm，缩束后的光束依然以最小发散角入射光栅；该光栅为透射式光栅，不同波长成分的光波被光栅衍射后以不同的衍射角出射，由于入射光光谱边缘波长分别是1025nm、1035nm，对应的衍射角分别是37.73°、38.61°，所以被光栅衍射散开后的不同波长光线构成的发散光束发散角约0.88°，传输得越远，光斑横向散开越大，逐渐呈扁椭圆形光斑。

放大系统中的增益介质为板条状（14mm×10mm×1mm）的Yb:YAG晶体，信号光和泵浦光均从14mm×1mm的面入射进入晶体；板条激光晶体两侧分别放置矩形平面反射镜，面向板条晶体的镀膜特征为HR1000~1080nm&AR940±10nm，达到将信号光反复多次反射进入激光晶体、而泵浦光一次性透过反射镜被激光晶体吸收的目的。通过合理设置信号光相对矩形平面反射镜的入射角，使呈发散状态的信号光被一对平行放置的矩形反射镜反射4次，实现4次穿过板条激光晶体，且光斑的横向尺寸因0.88°发散角的存在而逐次增加，符合传统板条放大光路中信号光的模体积随着穿过增益介质次数的增加而逐渐增大的要求。

在940nm波长泵浦光激发下，每次穿过板条激光晶体的信号光获得一次功率放大，信号光一次穿过增益单元共计获得四次增益，功率放大到35瓦。由于板条增益介质的热透镜效应主要作用于板条短边长方向，不影响光斑的横向发散角，放大后激光束依然呈原来的发散角继续传输。传输距离达到300mm，在板条放大器输出端光斑横向截面发散至约5mm长。

使用500mm长焦距平凸透镜放置于放大光传输路径中，使放大光束中心穿过透镜中心，光束中心波长路径与透镜光轴重合，于是放大的发散光束被透镜准直为宽度约8mm的扁椭圆形状平行光束，沿着宽度方向（椭圆长轴方向）分布着不同的光谱成分，但每个光谱成分在板条晶体中均获得了增益。

使用平面反射镜作为光束的回返器件，置于首次放大后的准直光路上，调整平面反射镜的受光位置和角度，使入射其上的平行光束的波前与反射面近似一致，实现对入射光束的原路反射，充分接近入射光路回返到板条放大器及光栅。根据光路可逆原理，再次进入板条激光放大器进行4通放大，输出功率放大到90瓦，二次放大的激光束以原有的衍射角度入射光栅，被光栅反向衍射后，不同波长成分的光束以同样的衍射角出射，回到了与入射光路同轴、传播方向相反的路径，实现不同光谱成分光束的空间再合成，恢复近圆形光斑。经反向传输进入扩束镜（缩束镜反向使用）、偏振态转换光路，最后被PBS以s光偏振分量形式反射出光路系统。

至此，经过偏振态转换、空间衍射整形、二次放大的啁啾脉冲激光完成了双次8通板条晶体功率放大。放大动力学曲线见图2，对应的多个阶段的激光束横模强度分布见图3。该激光系统输出的光束横模分布圆度不理想，主要原因在于脉冲在进行了光谱相关的空间分布展宽和放大后，不同光谱成分存在传输方向、偏振态的微小差异，回到光栅后未能达到完美的时空再合成。

图2. 板条放大器的放大输出功率与泵浦功率关系曲线

输入

光栅合成后的

光束远场光斑

输出

输出

图3. 板条放大器输入、输出光斑图

奥创光子该技术方案针对飞秒激光的宽光谱特性，采用衍射光栅替代传统的柱透镜或共焦反射球面镜来整形圆形截面光束为近扁椭圆形截面的光束，实现板条激光放大器信号光光斑整形的同时，避免了球面光学系统引入的球差影响光束质量。该方案的一个突出特点是，入射的信号光被拉伸整形为扁椭圆形的光斑同时，实现了光谱成分按空间的排列，为插入带通滤镜选择性地衰减不同光谱成分强度，实现二次放大前的光谱预整形做了铺垫，后续的实验工作将会探索这种光谱整形方式的实际效果，有望在固体高增益放大介质中适当缓解光谱增益窄化效应，进而支持脉冲压缩器能够输出更窄的飞秒脉冲。