（张佳琪, 刘金升, 季来林, 管相合, 朱钰坤, 崔 勇, 赵晓晖, 隋 展, 高妍琦. 百毫焦以上的重频 Yb:YAG 固体皮秒激光放大技术研究进展 [J]. 量子电子学报, 2026, 43(1): 1-20.

ZHANG jiaqi, LIU Jinsheng, JI Lailin , GUAN Xianghe, ZHU Yukun, CUI Yong, ZHAO Xiaohui, SUI Zhan, GAO Yanqi . Research progress on ≥100 mJ, repetition rate Yb:YAG solid⁃state picosecond laser amplification [J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2026, 43(1): 1-20.）

封 面 解 读

基于 Yb:YAG（掺镱钇铝石榴石）的重频高能固体激光器，常采用再生放大和行波放大构型，可实现数百毫焦甚至焦耳级的皮秒脉冲输出，在工业加工（如精密切割、钻孔）、医疗检测（如生物组织成像、病理分析）以及强场物理研究（如激光核聚变、粒子加速）等领域具有广泛应用。例如借助啁啾脉冲放大（CPA）以及后展宽压缩技术，可实现高平均功率与高峰值功率输出，由其驱动产生的 X 射线，可用于电动汽车电池等核心部件的内部结构检测与质量评估，保障核心部件的性能与安全性。

本文系统梳理了国际上在室温与低温两种运行工况下，百毫焦脉冲能量级重频Yb:YAG激光放大器技术相关研究进展，并深入阐述了其应用前景与核心价值。

一、重频高能（≥100mJ）皮秒Yb:YAG激光放大技术研究进展

（1）增益介质的几何形状是决定其激光性能的核心因素之一，当前主流的增益介质结构设计主要包括薄片、板条、棒状等类型。

•     薄片构型凭借高效的散热特性、优良的光束质量及与高重频运行模式的良好适配性，已成为高功率超快激光器与高能重频激光器的核心优选构型；

•     板条构型通常采用侧面泵浦与边缘冷却技术相结合的方案，其热梯度与光束行进方向近似，可显著改善激光光束质量劣化的问题，其高光学损伤阈值的特性支撑其实现百毫焦级、千赫兹重频的激光脉冲输出。棒状构型作为发展最为成熟的传统增益介质结构，兼具制备成本低、系统集成复杂度低的优势，可实现紧凑型高增益激光系统的搭建，且运行稳定性突出，但该构型存在显著的热透镜效应，成为制约其输出能量进一步提升的关键瓶颈。

基于上述不同构型增益介质的性能特点与局限性，欲实现百毫焦级以上的高能皮秒脉冲激光输出，现阶段主流技术方案为采用全薄片构型的放大架构，或通过薄片与板条构型的复合集成方式来构建激光放大系统。

（2）从放大器构型角度划分，主要有再生放大与行波放大两类。

•     再生放大器多以薄片增益介质为核心构建，借助光调制器与薄膜偏振片实现激光束的腔注入与输出控制，该构型兼具优异的热管理性能与光束质量控制，其典型结构如图1所示。2019 年，德国通快科学激光有限公司（Trumpf）基于双薄片激光模块与环形再生腔结构，在20 kHz重频工况下，将薄片再生放大器的最大输出功率提升至1.9 kW，光-光转换效率高达38%，该指标为目前已报道的皮秒级薄片再生放大器的最高光光效率。
•     行波放大器依据放大程数可划分为单通、双通及多通放大器，可适配焦耳级更高能量的激光脉冲输出场景。基于此，当前基于Yb:YAG的百毫焦级皮秒激光放大器的主流技术路线为：采用高增益再生放大器作为前级放大单元，将激光脉冲能量提升至近百毫焦量级并保持优良的光束质量；随后将该脉冲注入后级行波放大器进行能量放大，实现数百毫焦乃至数焦耳级的重频脉冲输出；最终通过光栅对这类脉冲压缩元件，将放大后的激光脉冲压缩至皮秒时间尺度。  
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图1 线性腔再生放大器基本原理图

（3）室温工况下的研究进展：考虑到操作复杂度、维护成本和系统稳定性，室温仍是最常见的实验条件。 

     2011年，德国马克思-普朗克量子光学研究所通过光谱整形获得了马鞍状光谱分布的种子，以缓解高增益下的增益窄化效应。该团队搭建“再生+行波”放大器实验装置可以实现300 mJ的脉冲能量输出，压缩后的脉宽为0.9 ps。2014年，该课题组加入激活反射镜作为上述系统的附加放大级，首次实现约1 TW的峰值功率。2020年，Trumpf公司通过CPA技术、再生和行波放大技术相结合的方式，获得了能量为720 mJ、平均输出功率为720 W、脉冲宽度为0.92 ps的脉冲输出，系统结构设计如图2所示。随着相关技术的日趋成熟，室温工作的Yb:YAG晶体固体激光放大系统，正逐步向焦耳级脉冲能量、千瓦平均功率的方向稳步推进，技术指标与综合应用性能持续突破。

图2  在室温、1 kHZ重频下实现亚皮秒级脉冲宽度的最高输出能量的激光系统

（4）低温是突破室温下Yb:YAG激光放大系统热效应制约、进一步提升激光放大器性能的可靠技术路径。 

     可通过液氮（77 K）、液氦（4.2 K）或闭循环制冷机实现增益材料的低温控制，该类放大器一般工作在真空密闭环境下。低温工况提升了Yb:YAG放大器的储能效率和提取效率，但同时加剧了放大过程的光谱窄化效应。2012年，科罗拉多州立大学的Reagan团队在低温环境下构建了基于Yb:YAG有源镜的固体激光放大系统，通过键和Cr:YAG晶体包边有效减弱了ASE和寄生振荡，实现单脉冲1.5 J输出，泵浦脉宽为1.5 ms时的光-光转化效率为25%。这一成果标志着低温固体激光放大技术在提升输出能量与抑制寄生效应方面取得了重要突破，并有望实现更高能量输出，但受限于增益窄化，压缩后输出脉冲宽度约为5 ps。

二、展 望

 随着百毫焦级重频Yb:YAG皮秒固体激光放大技术的持续发展与性能突破，该技术在科学研究领域已实现多元化应用，尤其在重频拍瓦激光装置、飞秒光参量啁啾脉冲放大系统及阿秒脉冲装置中，其已成为性能优异的前级驱动源与泵浦源，为各类高能超快激光系统的构建提供核心支撑。室温下结合薄片再生放大、行波放大与CPA技术，已成功实现数百毫焦皮秒量级脉冲输出，后续目标将聚焦实现千赫兹以上的高重频输出。低温下以Yb:YAG有源镜为主的构型有望在焦耳级输出能量的基础上进一步压缩脉冲宽度，可能通过混合介质放大、光谱整形等方法拓展光谱宽度来实现。整体而言，基于Yb:YAG增益介质的重频百毫焦激光放大研究未来将重点关注放大构型优化、光束质量控制、放大效率提升以及系统的稳定性和紧凑型等多个方面。

课 题 组 介 绍

中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所第二研究室激光技术团队，长期深耕于高功率固体激光器、红外技术及非线性效应三大核心领域的研究与攻关工作。此外，研究团队在高通量三倍频激光精密诊断、空间非相干束匀滑改善技术、多种掺镱新型晶体的模拟与测试以及高能重频激光技术研究方面取得了一系列研究成果。团队多次承担了国家重大专项、国家自然科学基金项目、中国工程物理研究院院长基金、国家重点研发计划等多项科研项目。