近日，精微激光（光至科技全资子公司）和清华大学加速器实验室开展联合攻关，在《Optics Express》上发表了一项研究成果：成功研制一套锁相高峰值功率亚纳秒激光系统，用于准稳态微束（Quasi-SSMB）验证。

相关研究成果以“Phase-locked high-peak-power sub-ns laser for electron modulation in quasi-steady-state microbunching”为题发表于Optics Express。

一、研究背景

稳态微聚束（SSMB）是一种创新的光源概念，它能产生高平均功率、窄带宽的相干辐射，覆盖从太赫兹到极紫外波段。SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源。SSMB的核心在于利用激光对存储环中的电子束进行逐圈能量调制，使电子形成微聚束结构，从而发射高功率、高重频、窄带宽的相干辐射。

2021年，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在《自然》（Nature）上发表了题为《稳态微聚束原理的实验演示》（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）的研究论文，报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。

2025年，清华大学团队和精微激光联合研制的稳态微聚束实验激光系统（SSMB PoP Ⅱ激光器）顺利交付，并已运抵德国开展后续试验。

图1 SSMB系统原理示意图及调制光源参数要求

二、激光系统设计

激光系统基于主振荡器功率放大器（MOPA）架构，以1064 nm碘稳频连续波单纵模激光作为种子源，基于自研的AWG电路通过高速幅度调制技术产生脉宽0.5~3ns可调、重复频率3.125~25 MHz的单频脉冲激光。该系统通过控制光纤中的非线性效应积累，实现了峰值功率35kW（@6.25MHz/ 0.5ns）的激光输出。其核心创新在于将碘稳频CW激光的稳定性通过锁相系统传递至放大后的脉冲激光，确保了调制相位的长期稳定。

图2 激光系统原理示意图

图3 激光系统实物示意图

此外，系统还集成了脉冲选取器，由三级普克尔斯盒串联组成，可实现宏观脉冲序列的任意时间结构控制，并与加速器同步，脉冲对比度达53 dB，偏振消光比26 dB。远程监控和互锁保护功能则保障了长期运行的稳定性，4小时内输出功率波动优于0.33%（RMS），光束中心漂移小于光束直径的2%。

图4 输出功率与回光功率（左）、功率稳定性测试结果（右）

激光系统输出光斑参数如下：

三、相位锁定机制

相位稳定性是准SSMB实验成功的关键。电子在存储环中每160 ns回转一次，激光脉冲必须确保每次调制时光学相位固定。研究团队通过光学相位锁定环（OPLL）实现脉冲激光与CW参考激光的相位同步。OPLL基于拍频信号检测相位误差，并通过电光调制器进行反馈补偿。

具体实现中，CW种子激光分束后，一路作为参考光，另一路经调制和放大后作为信号光。两者在光纤合束器中产生拍频信号，由光电二极管转换为电信号，再经锁频电路处理，驱动相位调制器完成闭环控制。OPLL在10 Hz至10 kHz范围内实现了显著相位噪声抑制。该锁相系统可以实现上电自动锁定、失锁后重锁定等功能。

图5 锁相系统原理示意图

图6 锁相系统开启前后误差信号对比

实验显示，相位锁定后，拍频信号功率波动大幅降低，锁定状态可维持数小时而无失锁。相对强度噪声（RIN）在10 Hz-10 kHz范围降低约20 dB，残余均方根相位抖动仅0.0031 rad（相当于4.97×10-4波长），满足实验要求的0.05 rad。

四、可用性与可靠性

光至科技在激光器制造领域拥有丰富的产业化经验，能够将前沿研究成果转化为稳定可靠的工程产品。在本项目中，光至科技负责激光系统的核心组件集成与调试，包括光纤放大器、相位调制器以及控制系统等。通过模块化设计，系统不仅实现了高性能指标，还具备了良好的可用性和可靠性。如，激光系统内部采用了偏振保持光纤和应力释放安装技术，有效避免了长期使用中的偏振退化，确保了输出光束质量的持续稳定。

产业化优势还体现在环境适应性设计上。针对国际运输和异地部署的需求，团队针对该激光系统开展了通用质量特性、电磁兼容性设计和试验，包括电老炼、高频随机振动、快速温变、电磁辐射抗扰等，确保激光器能够承受长途陆运、海运和加速器实验室复杂电磁环境的考验。

项目团队为激光系统集成了远程控制和互锁保护功能，在异常断电、种子离线的极端工况下保证系统安全。通过定制的可视化软件平台，操作人员可实时调整激光器参数（如宏脉冲宽度和重复频率），并监控关键指标如功率、外部触发、相位锁定等。

图7 激光器高频随机振动试验现场

感谢中国计量科学研究院在种子激光方面提供的技术支持，以及中国科学院精密测量科学与技术创新研究院在锁相电路方面提供的技术支撑。

备注：武汉市精微激光技术有限公司是武汉光至科技股份有限公司的全资子公司，以母公司大规模工业激光器产业化基础为依托，在已有的光纤激光技术、固体激光技术、超快激光技术和谐波倍频技术的基础上，面向科研中复杂光源系统需求，拓展低噪声激光、深紫外激光、激光放大网络和锁频锁相等技术体系，力争成为优秀的装置级复杂光源系统方案提供商。