华中科技大学陆培祥、张庆斌教授团队：相干合成突破性能极限，实现千瓦级、毫焦耳飞秒激光输出 | 中国激光·封面

封面解读

封面直观呈现了相干光束合成实现千瓦级飞秒激光输出的核心技术路径。图中央并排放置的六根大模场面积棒状光子晶体光纤（蓝色）阵列，代表了六个并行的高功率放大通道。从光纤中射出的六道红色激光，在精密光学元件的引导下会聚，象征多路光束在空间上精确叠加，形成高亮度的合成光束。激光上方的脉冲波形展现了光纤放大器前后的强度变化。相干光束合成技术为突破高平均功率高重复频率超短脉冲激光性能极限提供了可行路径，在科研和工业领域中具有广阔的应用前景。

文章链接：王志浩, 彭双喜, 徐浩, 王雨翰, 李政言, 张庆斌, 陆培祥. 1.2 kW，1.2 mJ相干合成飞秒光纤激光系统[J]. 中国激光, 2026, 53(2): 0201001.

研究背景

高平均功率、高单脉冲能量的超快激光器已经在微纳精密加工、高次谐波产生以及激光驱动粒子加速等工业制造与基础科学领域得到广泛应用。基于掺镱介质的光纤激光器因低量子缺陷、优异的热管理能力、高光束质量以及高电光转换效率等优势，成为实现高平均功率输出的有效工具。

然而，进一步提升激光单脉冲能量和平均功率仍面临着一定困难；对于光纤激光器而言，其主要限制因素是放大过程中过多累积的非线性相移和横模不稳定现象。将啁啾脉冲放大技术与大模场面积光纤相结合，可以有效降低激光脉冲在光纤放大过程中的峰值强度，抑制不利的非线性效应，从而提高激光脉冲的输出性能。尽管上述技术在功率与能量提升方面取得了显著进展，但其发展已趋近瓶颈。因此，若要在激光输出性能上实现进一步突破，亟需探索新的技术路径。

创新工作

针对这一关键问题，华中科技大学陆培祥、张庆斌教授团队以啁啾脉冲放大的掺镱大模场面积光纤作为主放大器，结合相干光束合成技术，将六个通道放大器的输出光束在空间中相干叠加，突破了单一超快光纤激光器的性能限制，如图1所示。

图1 六通道相干光束合成超快光纤激光器实验装置示意图

在相干光束合成中，为了获得尽可能高的合成效率，参与合成的每束光的性能参数需保持高度一致，如光谱、光斑尺寸、非线性相移等。在本研究中，各通道放大器的最高输出平均功率达到230 W，单脉冲能量为0.23 mJ，接近单根光纤超快激光器输出的性能极限。

随后通过填充孔径相干合成的方式，六个通道的放大激光相干叠加，在近场和远场均保持完全一致。合成后的光束在1 MHz的重复频率下实现了1.29 kW的平均功率输出，合成效率高达92%，如图2所示。

图2 六通道相干光束合成超快光纤激光器输出功率与合成效率。（a）不同泵浦功率；（b）不同合成通道数

在多光束脉冲干涉叠加过程中，其稳定性极易受到空气湍流、激光系统中的机械振动和热漂移等因素影响。为了确保长期稳定的干涉叠加，研究团队构建了一套主动相位反馈控制系统，能够实时监测各通道的相对相位变化，并自动将误差信号反馈至各通道上配置的压电促动器，实现稳定的闭环控制。

通过光电探测器采集的脉冲序列，分析了激光系统合成过程中的强度噪声特性，如图3所示。主动相位反馈控制系统能够有效抑制1 kHz以下的相位噪声，并且在1 Hz~100 kHz 频带范围内，合成激光的相对强度噪声低至1%，连续运行 0.5 h期间输出功率的均方根误差波动仅为 0.35%。

图3 合成光束的频谱噪声特性。（a）功率谱密度；（b）相对强度噪声

图 4（a）展示了相干光束合成后的激光光谱。多通道组合后的光谱基本一致，这表明各通道在放大过程中累积的色散量相近。全部六通道合成后的光谱中心波长为1035 nm，光谱半峰全宽为9 nm。

图4 合成光束的光谱与自相关曲线。（a）合成光谱；（b）自相关曲线

功率稳定的合成光束引入压缩器进行脉宽压缩，压缩后激光平均功率为 1195 W，对应压缩效率为92.6%。通过协同优化光栅对的角度、间距，以及展宽器中可调节啁啾光纤布拉格光栅的高阶色散，可将脉冲压缩至接近变换极限宽度。使用自相关仪测量压缩后的脉冲，结果如图 5（b）所示，测得脉冲宽度为235 fs。采用M²分析仪测试脉冲的光束质量，测量得到合成激光的光斑质量M²<1.2。

总结与展望

该研究展示了相干光束合成在突破单一激光系统极限、实现高平均功率和大脉冲能量飞秒激光方面的有效潜力；该系统良好的长期稳定性表明其尚未达到相干合成的功率极限。

后续计划扩展合成通道数并降低重复频率，以期实现更高平均功率与单脉冲能量的激光性能，从而进一步拓展其在科研与工业领域的应用潜力。

华中科技大学阿秒超快光学实验室由陆培祥教授于2003年创建，依托于华中科技大学物理学院和武汉光电国家研究中心，聚焦超强超快激光技术及其与物质相互作用的前沿研究，包括阿秒光学、强场光物理、超快微纳光学及飞秒激光技术四个研究方向。从事高功率光纤与固体飞秒激光技术研究，纳米复合结构的非线性光学特性研究，超快激光与原子分子相互作用的强场超快动力学研究及阿秒高次谐波光源产生及阿秒量子调控研究等。课题组承担国家自然科学基金“强场超快光学”创新研究群体、重大科技专项、973项目、国家自然科学基金重点项目等。为支撑国家在极端条件科学、高端制造等重要战略领域实现技术跨越。

陆培祥，华中科技大学教授，现任武汉光电国家研究中心常务副主任，教育部创新团队“激光技术与应用”负责人，国家自然科学基金“强场超快光学”创新研究群体负责人。从事强场超快光学的实验和理论研究工作，发表高水平论文600余篇，被引用一万余次，在国际学术会议上做特邀报告20多次，曾获得湖北省自然科学奖一等奖、中国科学院自然科学一等奖和日本IKEDA研究成果奖等奖励。

张庆斌，华中科技大学教授，国家高层次青年人才入选者。主要从事飞秒激光技术与系统、高通量极紫外光源研制以及光电子/光离子速度成像等方面的研究。已发表国际高水平期刊110余篇，已申请国家发明专利18项，激光技术领域的2项成果（4项专利）完成成果转化。主持和作为骨干承担多项国家自然科学基金，省市部委以及中科院研究项目。

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《中国激光》是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊（半月刊）。目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等收录，位列中国科学院期刊分区表2区。根据《中国科技期刊引证报告》显示，《中国激光》综合评价总分在本领域内连续多年排名第一。17次被评为“百种中国杰出学术期刊”（获得次数最多的光学期刊）、6次入选“中国精品科技期刊”、2次荣获“百强报刊”称号，并多次获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”等荣誉。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”、《无机非金属材料领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。2024年入选中国科技期刊卓越行动计划项目——领军期刊。2025年中国科学院期刊分区表二区。

科学编辑 | 华中科技大学王志浩

编辑 | 沈灵灵