ELI Beamlines发布L4 ATON激光成果：高重复率下实现拍瓦级稳定输出
ELI Beamlines 实现 5 拍瓦
输出：L4 ATON 激光器
刷新能量记录
2025年10月，捷克布热日安（Dolní Břežany）的ELI Beamlines研究中心宣布：其旗舰激光系统 L4 ATON 成功实现峰值功率5.1拍瓦，在一次测试中将约786焦耳的激光能量压缩至154飞秒。这不仅刷新了多拍瓦系统的能量输出记录，更重要的是，它表明近千焦级、高重复率的拍瓦级激光系统已初步进入可控、稳定运行阶段。
ELI Beamlines是欧洲极端光基础设施（ELI ERIC）联盟的重要组成部分，靠近布拉格。自 2015 年投入运行以来，该研究中心致力于构建和运行具备高峰值功率、高能量和高重复率的飞秒激光系统，并配套开发多种次级源（如X射线源和粒子加速器）。目前，ELI Beamlines配备了4套主激光装置、7 套次级源及 5 个科学实验平台，面向全球科研用户开放。
L4 ATON 是ELI Beamlines的核心系统之一，由美国National Energetics与立陶宛EKSPLA联合建造。ELI Beamlines团队参与了多个关键子系统的开发，包括10 PW级脉冲压缩器、OPCPA预放大链、激光诊断模块以及集成电子控制系统。该装置的设计参数为：单脉冲能量1.5千焦、脉宽150飞秒、重复频率1分钟1次，峰值功率可达10拍瓦，是目前少数同时实现高能量与高重复率的多拍瓦级激光系统之一。
对于高能激光物理和相关应用领域的研究者而言，这一节点性的进展所代表的意义，远超刷新纪录本身。它既实质性地证明了大型玻璃放大器 + 液冷系统 + 高重复率的技术路线具备工程落地的可行性，又为探索激光驱动的粒子加速、强场量子电动力学、惯性约束聚变等前沿课题提供了新的实验平台和运行范式。
图1 : ELI Beamlines 与 L4 ATON，图片来源 © ELI Beamlines
在如此高能量密度与复杂光路配置中，L4 ATON 系统的每一个放大器单元都必须在运行中经历极其严苛的光学验证。尤其是如何在多级放大链中维持稳定、无畸变的波前传输，都是确保激光系统可控、可重复运行的决定性因素。
那么，这样的核心器件究竟是如何被测量和验证的？在一份由项目团队发布的官方技术报告中，L4 ATON 放大器在不同运行条件下的表现被系统整理，其中也介绍了 Phasics 波前传感技术在多阶段测量中的应用，用于支持系统波前演化与校正策略的分析。
图2 : ATON 系统中 180 mm 与 300 mm 放大器的搭建,图片来源于THRILL项目报告(ELI Beamlines，2024)
在放大器性能表征过程中，研究人员系统评估了多种运行条件对系统输出的影响，涵盖不同的重复频率（例如每 1 分钟、3 分钟或5 分钟一次）以及不同的冷却流速配置。在测试中，重点考察了Nd:玻璃增益介质、闪光灯泵浦系统、液冷模块、光学传输链路以及用于波前校正的可变形镜等关键组件。测量指标包括输出波前质量、空间强度分布和脉冲能量稳定性等。
PHASICS
SID4 在 ATON 放大器
系统中的精确诊断应用
在 L4 ATON 激光系统的放大器性能表征工作中，Phasics的SID4波前传感器被集成至诊断光路中，承担了波前质量测量与自适应光学闭环校正的关键任务。Phasics的SID4波前传感器具备优于 2 nm RMS 的相位分辨率，为高能放大系统提供高动态范围与高空间分辨率的波前捕捉能力。
在 180 mm 放大器（PA1）模块测试中，SID4 的部署位置如图3 所示：
图3 :180 mm 放大器（PA1）模块测试搭建 图片来源于THRILL项目报告（ELI Beamlines，2024）
放大器输出端经特殊窗口采样反射脉冲后，通过光学衰减与分光系统引导至多个测量路径，分别完成空间剖面、能量与波前诊断。该设计最大限度避免了二次聚焦误差对测量结果的影响。
SID4的实时测量结果通过Phasics OASYS自适应光学控制软件与可变形镜联动，构成闭环调控系统。通过预设本征模态与波前分解算法，系统可在重复频率下对主要低阶像差进行快速响应与补偿，并在稳定运行后维持高质量输出。
表征中采用了多项正交多项式展开的方式对波前误差进行分类与追踪，研究人员特别关注系统在不同时间尺度下热负荷对波前变化的影响。低阶像差主要来源于光学路径本身的非理想性与环境扰动，可通过初始对准与 AO 进行优化；而高阶残差则作为不可校正基线，界定了系统稳态运行下的波前极限。
在高重复率运行条件下，SID4 捕捉到由能量激发引起的波前瞬时扰动以及系统热稳定过程中的缓慢演化趋势。测量显示，在合理的冷却与能量调控下，系统波前可在预期时间尺度内稳定并维持良好一致性。如下图4展示了不同重复频率下波前动态响应的差异，有效反映出系统在不同热负荷下的运行表现。
图4 :综合展示了不同重复频率（1、3、5 分钟）下系统波前 RMS 的变化趋势，图片来源于THRILL项目报告（ELI Beamlines，2024）
可以观察到，在高重复率运行下，系统热积累更快、波前误差上升更显著，约在 20–30 分钟内逐步趋于稳态，而低频运行则保持相对稳定。这一趋势说明了冷却系统与玻璃热容之间的耦合特性，以及自适应校正策略的作用边界。尽管在初始阶段高流速配置带来轻微优势，但在连续运行约半小时后，各组配置的波前误差水平趋于一致，表明在当前能量与节奏下，2 L/min 的标准冷却方案已能有效支撑系统热稳定性。
图5 :180 mm 放大器在 3 分钟一发的工作频率下，预校正波前条件下“冷态”与“热态”时的光束近场与远场空间强度分布对比。图片来源于THRILL项目报告（ELI Beamlines，2024）
冷态下系统聚焦良好，远场强度集中；热态时，低阶像差（如像散）导致焦斑横向展宽，而中频误差引起焦点周边环状结构，造成峰值强度下降。
在 300 mm 放大器（PA2）的测量中，由于系统构型的限制，波前校正始终处于闭环启用状态，Phasics SID4 波前传感器主要用于监测变形镜的动态响应，量化残余波前误差，并协助验证整体校正策略的有效性。图6展示了该放大器在每分钟发射一次的重复频率下，启用主动波前校正系统后的波前误差（RMS）演化趋势。可以看出，随着激光连续发射，低阶误差在前 10 发内迅速积累，随后趋于稳定；高阶不可校正误差则保持在约 0.2 λ RMS 以下，显示了系统在当前校正能力下的稳定极限。SID4 的高分辨率与高重复精度，使其能够有效捕捉这种微小波前波动，对稳定运行状态下的波前管理提供了关键支持。
图6 :300 mm 放大器在每分钟发射一次的重复频率下，结合主动波前校正系统时的波前演化情况。图片来源于THRILL项目报告（ELI Beamlines，2024）
可以从图7中观察到，尽管在热态下部分远场分布轮廓略有畸变，但整体光斑形状仍维持良好一致性，说明该放大器具备稳定的空间增益特性，即使在重复发射条件下亦未出现显著的热致失配。
图7 :上排为近场光束强度分布，下排为远场聚焦强度分布。图 (a) 为冷态下的分布，图 (b)、(c)、(d) 分别为在每 2 分钟一次重复频率下连续三次发射的光束分布。
不论是300 mm 还是 180 mm 放大器的空间增益均匀性都高度一致，且不因脉冲能量或发射频率变化而出现显著波动。
在此类实验中，Phasics的SID4 波前传感器作为系统集成中的关键工具，支撑了对冷态与热态波前差异的精确表征，并为高重复率条件下的空间均匀性维持提供了重要调校依据。
Phasics SID4 波前传感器
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Reference:
ELI‑Beamlines, GSI, & HZDR. (2024). Report on the characterization of ATON laser amplifier (D4.1, Version 7.1). THRILL Project.
