增益介质热效应是限制高能固体激光系统功率进一步提升的主要因素，且严重的热效应会导致激光光束质量加速恶化，直至难以满足应用需求。当单束激光性能难以再提升时，激光合束技术是激光系统功率进一步定标提升并保持光束质量的终极途径。
当前，国际领域激光合束方法主要有相干合束、光谱合束、偏振合束等，这些合束方法均得到不同程度的应用并取得一系列成果。然而这些方法适用条件各不相同，仅能满足部分激光系统合束需求。比如，相干合束通常需要子激光束为单频激光，且需配备精密的相位控制装置以满足所有子激光束相位相同的要求，因此操作难度和复杂度均较高，长期处于研究阶段，目前尚未实用；对于光谱合束，要求各子激光束具有不同的波长，才能采用光栅等色散器件将多束子激光共轴合为一束，这导致大多数单波长激光系统无法采用这种合束方式；偏振合束虽然操作简单，但通常只能将两束正交偏振的激光共轴合束，难以外推到更多子激光束合束需求。跳出这些已有的激光合束原理范畴，提出一种操作简单，全被动式、合束效率高同时具备可扩展性的激光合束新方法具有重要的学术价值和产业价值。
近期，中国科学院理化技术研究所新体制高能固态激光技术研究组独立提出了一种脉冲激光共轴合束新方法，并将其命名为谐波共轴合束（harmonic beam coaxial combination，HBCC）。已分别在百皮秒激光、纳秒激光以及高功率皮秒激光上成功进行了激光合束验证，证实了其操作简单、效率高、光束质量好的特性。
图1 激光谐波共轴合束原理示意图
该激光合束新方法基本原理可归纳为一定条件下倍频过程的非逆性，即当一束激光以高效产生倍频光的功率密度通过非线性晶体后，倍频激光再以相同的功率密度通过同样的非线性晶体时不会发生逆转换，而是近乎无损地通过非线性晶体。利用这个特性，研究人员可以不断地将基频激光共轴添加到已有的倍频激光束重复倍频过程，从而完成多束谐波激光的共轴合束，功率无损叠加的同时其光束质量可保持与单束子激光束相同。
图2 高功率皮秒谐波共轴合束光路示意图
理化所科研人员联合安徽华创鸿度光电科技有限公司，采用两台独立的1064 nm皮秒激光器进行高功率皮秒激光共轴合束演示验证，每台激光器均具有脉宽约10 ps、重频400 kHz、光束质量因子M2＜1.2，平均功率均为约112 W，每束基频激光通过LBO晶体倍频分别能产生约66 W的532nm皮秒倍频激光。经过谐波共轴合束操作，合束后的532nm皮秒激光功率达到132 W，合束效率高达99.9%，合束后的激光仍保持在M2≈1.25高光束质量状态，并且仍然保持偏振度＞140:1的线偏振度。更多数量的子激光束以相同的步骤可进一步实现更高功率皮秒激光功率合成。
图3 高功率皮秒激光谐波共轴合束实验装置
图4 经谐波共轴合束后激光束保持良好的光束质量
相关成果发表在Optics Letters (Vol. 49, No. 16. Page 4669)和 IEEE Photonics Technology Letters (2025, early access )上，论文第一作者是2023级博士生张奥楠，通讯作者是刘可副研究员。
这种谐波共轴合束方法可进一步归结为将激光系统中激光增益介质的高产热率过程转移到非线性晶体的低产生热率过程上，使非线性晶体同时兼顾合束器件的作用，从而大幅减小激光系统热管理难度。质量良好的非线性晶体如LBO晶体，对激光的本征吸收可低至数十ppm，即1 kW激光在LBO晶体内仅产生几十mW的热量，对激光光束质量恶化影响微乎其微。这个特点使得该激光合束新方法在高功率高光束质量谐波激光产生领域相比于传统的技术方案具备显著的优势。
该方法为理化所科研人员原创发明，并申请了发明专利（2023107682710、2024203887514）。其不仅适用于倍频激光功率合成，还适用三倍频以及和频激光功率合成。不论以何种技术方案获得高性能子激光束，均可再采用该方法实现谐波激光输出功率数量级的提升。预期应用于工业精密加工超快绿光及紫外激光器可实现输出功率断代式领先的优势。
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