新型双程放大系统：高效补偿球差畸变，显著提升MOPA激光系统性能

高功率激光器在工业精密制造、医疗医美、激光雷达及科学研究等领域发挥着至关重要的作用。光束质量（通常由M²因子表征）是决定激光器应用价值的核心参数，直接影响激光能量的传输效率、焦点控制能力以及工业化潜力。在特定条件下，优化激光光束质量可带来显著优势。例如，在激光焊接过程中，更优的光束质量能够缩小聚焦光斑尺寸，提高能量密度，增强熔池稳定性，减少焊接缺陷，并改善焊接深宽比，从而提升接头性能。此外，在激光雷达系统中，当初始光束质量因子为1.5时，光束质量因子每优化0.1，探测距离增加约4%。这些数据表明，提升高功率激光的光束质量将为多个行业带来突破。

针对这一难题，河北工业大学先进激光技术研究中心团队提出了一种新型双程放大系统。该系统在高功率一级放大器对输入光束进行单程放大后，通过共轭反射与4f系统的像传递，使放大激光的球面像差得到被动补偿。这种方法不仅有效降低了热透镜效应对光束质量的影响，还增强了放大效率，使Nd:YAG晶体的上能级粒子得到更充分利用。

该研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2025年第1期 (Pengfei Li, Yulei Wang, Fei Zhang, Yan Li, Hao Zheng, Chen Cao, Kai Li, Mengyu Jia, Bingzheng Yan, Zhenxu Bai, Yu Yu, Zhiwei Lv, "Passive spherical aberration compensation in laser diode side-pumped master oscillator power amplifier laser systems," High Power Laser Sci. Eng. 13, 010000e5 (2025))。

图1高光束质量、高效率的MOPA激光系统结构图

实验数据显示，该技术可在300 Hz重复频率下实现73.7 mJ的单脉冲能量输出。相较于普通双程放大系统，放大光的单脉冲能量几乎保持不变，同时x轴和y轴的光束质量分别提升了0.3、0.2；相较于传统单程放大方案，光束质量在x轴和y轴分别优化0.076、0.051（详见图2、图3），同时整体放大能力提升13.3%（详见图4）。此外，该方案还优化了放大光的空间频率谱分布，提高了光束的相干性和均匀性（详见图5），进一步推动了高功率激光在工业和科学应用中的可行性。

这一研究不仅为MOPA激光系统提供了一种高效、经济的光束质量优化方案，也为高功率激光技术在更广泛领域的应用奠定了基础。团队将持续探索创新技术，优化后续放大激光的光束质量和放大效率，力求在最低成本下，实现更高功率、更优光束质量和更接近高斯分布的激光输出。未来，该方法可进一步拓展至飞秒激光放大、超高功率光纤激光系统等前沿方向，为高端制造、深空探测、激光核聚变等领域提供更高质量的光源支持。