面向粒子诊断与操控的高能啁啾纳秒脉冲激光系统突破：单脉冲能量超2焦耳

《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》：High-energy chirped nanosecond pulsed laser system for particle diagnostics and manipulation

本刊推荐一项激光技术重要进展：为解决超音速/高超音速气流、低气压等离子体等极端环境中粒子速度分布函数(VDF)诊断难题，研究团队成功将啁啾纳秒脉冲激光系统输出能量提升至2.4 J/脉冲，同时保持GHz级啁啾范围、10 ns-1 μs可调脉宽及任意时序波形调控能力。该系统通过创新性五级放大结构设计，实现了对光学晶格相位速度的精准控制，为单次相干瑞利-布里渊散射(CRBS)技术在航空航天推进器、微电子等离子体工艺等领域的应用提供了突破性测量工具。

　　

在航空航天、微电子制造等前沿领域，对气体和等离子体粒子速度分布函数的精确测量直接关系到发动机性能优化、半导体工艺控制等关键技术突破。传统机械探针（如皮托管、朗缪尔探针）在极端环境下存在干扰流场、易损毁等局限，而激光诊断技术虽具备非侵入式优势，却受制于脉冲能量不足、频率调控不灵活等技术瓶颈。特别是在探测低密度等离子体（如霍尔推进器<10^-3Torr）或高超音速边界层时，现有激光系统难以在单次脉冲内获取足够信噪比的数据。

针对这一挑战，卢森堡科学技术研究所Stefan Karatodorov团队在《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》发表最新研究成果，通过升级多级放大结构成功研制出脉冲能量达2.4焦耳的啁啾纳秒激光系统。该系统在保持GHz级频率啁啾、可编程脉宽（10 ns-1 μs）和任意波形调控能力的同时，将单脉冲能量提升至国际已报道同类系统的最高水平，为极端环境粒子诊断与光学操控提供了全新解决方案。

关键技术方法核心包括：1）基于Nd:YVO₄微片激光器与LiTaO₃晶体的快速频率啁啾生成模块；2）通过任意波形发生器（AWG）与电光调制器（iEOM）实现的纳秒级脉冲整形；3）五级双通路放大链设计（含新增双通放大级），采用Nd:YAG晶体确保增益带宽匹配；4）针对热透镜效应的重复频率优化（5 Hz稳定运行）；5）二次谐波生成（SHG）模块实现532 nm波长输出（最高转换效率38.7%）。

激光系统升级与性能表征

通过引入双通放大级（含15 mm孔径法拉第隔离器与2倍扩束器），系统在输入能量0.41 J时获得5.36倍增益，输出能量达2.4 J。热管理测试表明，在5 Hz重复频率下可连续运行数小时且能量波动<0.4%，有效避免晶体热致双折射引起的光束畸变（图4）。

啁啾特性保持与频谱控制

异频检测验证了放大前后啁啾速率的一致性（偏差<0.4 MHz/ns）。通过优化主从激光注入锁定位置，使频率啁啾（±2.3 GHz范围）在放大过程中保持均匀增益，避免自发辐射放大（ASE）干扰（图7）。

时序波形保真度验证

系统成功复现了平顶波（100-1000 ns）、指数衰减波等复杂波形（图10-12），放大后波形与预设波形偏差仅5.6%。通过LABVIEW与PYTHON编写的预补偿算法，有效抵消了放大链的时变增益效应。

应用示范：SF₆气体CRBS测量

对常压SF₆气体的相干瑞利-布里渊散射测量显示，布里渊峰对应声速值为132 m/s，与NIST标准值（134 m/s）误差<2%，证实系统在实境气体诊断中的可靠性（图13）。

该研究突破了高能量与高精度调控难以兼得的技术壁垒，使单次CRBS测量下限拓展至10^-1Torr量级。系统特有的光学晶格相位速度控制能力，为中性粒子加速、等离子体波共振探测等 manipulation 应用开辟了新路径。未来通过声光调制器（AOM）替代iEOM可进一步提升长期稳定性，而自定义高压放大器开发将支持更高啁啾速率，满足高超音速流场多点多参数同步诊断需求。这项技术有望成为空间推进器优化、低温等离子体工艺监控等领域的标准测量工具。