近日，清华大学工程物理系颜立新教授课题组与法国巴黎-萨克雷大学IJCLab的Fabian Zomer教授团队合作，发表了高精细度光学增益腔领域的的重要进展。研究团队在清华大学加速器实验室实现了平均激光功率超过1兆瓦的四镜领结型光腔及其稳定运行，最大腔内平均功率达到了1.15 MW，并且保持了优异的高斯基模模式。这是国际上迄今发表的首个腔内平均激光功率达到兆瓦的光学增益腔工作，将为稳态微聚束 (SSMB) 极紫外光源发展、量子电动力学 (QED)真空非线性探测、磁约束聚变离子束光中和及未来惯性约束聚变反应堆发展等重要应用奠定坚实基础。
作为与多路激光相干合成并行的另外一条有效技术路径，光学增益腔（Optical enhancement cavity, OEC）能够产生极高平均功率的激光。OEC通过超高反射率腔镜让激光在增益腔内往复相干叠加，从而将平均功率提升数千甚至万倍以上，同时维持纯净的横向模式。OEC凭借其腔内稳定存储的高平均功率、高重复频率、高光束质量以及高相位稳定性的激光光场，成为众多先进科学应用亟需的理想工具，更高更稳定的腔内平均循环功率成为这一领域追求的目标。然而，受光学系统热载荷非线性以及腔内热不稳定性效应的影响，光腔平均激光功率被限制在百kW的水平而难以进一步提高。 以实现兆瓦级平均功率光学增益腔的稳定运行为目标，颜立新教授课题组与法国巴黎-萨克雷大学IJCLab的Fabian Zomer教授团队合作开展了长期的探索研究。经过十余年的持续努力，研究团队终于打破了这个长期存在的瓶颈，首次实现了激光平均功率超过1 MW的四镜领结型光腔，最大腔内的平均功率达到了1.15 MW，首次测量评估了高平均功率光腔激光的相位噪声水平。更重要的是，在兆瓦超高平均功率下，腔内的激光仍然保持了优异的高斯基模模式和出色的相位稳定性。这些结果为进一步优化光腔设计、稳定控制以及热管理等提供了实验依据，有助于未来进一步提升系统的性能，同时为光腔在诸多前沿领域中的先进应用奠定了坚实基础。 图1 高功率光学增益腔系统装置示意图
高平均功率光学增益腔系统的实验装置布局图如图1所示，由注入激光、光学匹配、反馈控制及参数诊断等系统组成。低相噪激光源输出的激光经过横模匹配和光轴准直，注入四镜领结型光学增益腔，在不同的注入功率下，腔内稳定存储的激光功率随时间的变化如图2所示，最大腔内平均功率为1.15 MW，有效增益因子超过9000。腔内平均功率在1.05 MW时，激光功率的RMS稳定性为0.3%。腔内稳定存储的激光模式为纯净的高斯基模，如图3所示，并未出现高阶模简并的现象。论文在腔内激光平均功率为500 kW时测量了腔内外激光的相位噪声水平，结果如图4所示。此外，通过对腔内反射镜的热致形变以及镜子基底的热透镜效应进行建模和定量分析，以亚ppm量级的精度验证了腔镜的超低吸收系数。 图2 不同注入激光功率下，光腔激光功率的变化情况 图3 腔内平均功率1.15MW时，在透射光路上测量到的光束模式 图4 腔内平均功率500 kW时，注入激光、腔内激光的相位噪声和相对强度噪声的测量结果
研究成果以“Beyond a megawatt of average power in a high-finesse optical enhancement cavity”为题，北京时间9月12日发表于《Optica》。 清华大学工程物理系博士生赵琰、杨洲和法国巴黎-萨克雷大学IJCLab博士生Alice Renaux为论文共同第一作者。清华大学工程物理系颜立新教授和柳兴博士（现任职于雄安国创中心科技有限公司）为共同通讯作者。论文作者还包括黄宇同、陆心怡、田其立、Ronic Chiche、Kevin Dupraz、Aurelien Martens、Fabian Zomer、黄文会和唐传祥教授等研究人员。研究得到北京高校卓越青年科学家计划项目、国家重点研发计划以及国家自然科学基金的共同资助。 论文链接： https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-13-9-1909
