----轉(zhuǎn)載自尚建力, 王君濤, 彭萬敬等人2022年的文章

摘要：高能激光廣泛應(yīng)用于材料加工、科學(xué)研究、空間碎片清除、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。二極管泵浦高能激光具有結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、全電驅(qū)無限彈倉的特點(diǎn)，近年來，各類二極管泵浦高能激光圍繞著同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量這一總目標(biāo)發(fā)展迅速。詳細(xì)綜述了國內(nèi)外高平均功率塊狀固體激光、高功率可見光波段激光、高峰值功率激光、高功率光纖激光、堿金屬蒸氣激光等二極管泵浦高能激光的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

高能激光廣泛應(yīng)用于材料加工、科學(xué)研究、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。現(xiàn)有研究主要集中在通過提升激光器功率、光束質(zhì)量提升材料加工和目標(biāo)毀傷效率；提升短脈沖能量，利用巨脈沖實(shí)現(xiàn)空間碎片高效清除；開展頻率變換，利用短波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)材料的高效吸收；獲得超短脈沖超高峰值功率實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高端精密加工等方面。這些應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)機(jī)理均是利用激光與物質(zhì)相互作用中的各種力-熱效應(yīng)，影響上述應(yīng)用效果的因素主要即源自不同參數(shù)（體制、波長(zhǎng)、功率/能量密度）激光與物質(zhì)相互作用中力熱效應(yīng)的差異。具體的，這一效應(yīng)特征涉及激光波長(zhǎng)范圍從紅外到真空紫外波段，時(shí)間結(jié)構(gòu)包括連續(xù)、重復(fù)頻率和脈沖（準(zhǔn)連續(xù)及單脈沖），作用時(shí)間從亞 ns 至數(shù) h，靶面上激光功率密度的范圍為 10?6～1020 W/cm2。不同功率密度的激光輻照靶體，會(huì)引起加熱、熔融、升華和電離等不同的熱致效應(yīng)，以及熱應(yīng)力與熱沖擊等靜、動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。一般來說，較低功率密度(104 W/cm2 以下) 的激光會(huì)引起靶材局部加熱、熱應(yīng)力乃至熔融等熱效應(yīng)和熱力耦合效應(yīng)；中等功率密度 (104～107 W/cm2) 的激光輻照下，靶材以熔融、燒蝕、氣化等相變行為及其誘導(dǎo)的力學(xué)效應(yīng)為主；激光功率密度在 107 W/cm2 以上，會(huì)誘導(dǎo)靶材生成等離子體并引起高幅值沖擊波，激光輻照主要表現(xiàn)為沖擊效應(yīng)，在靶材很薄的區(qū)域中可能發(fā)生層裂形式的動(dòng)力學(xué)破壞[1-2]。因此，研制不同波長(zhǎng)、不同體制激光以實(shí)現(xiàn)不同的激光與物質(zhì)相互作用的力熱效應(yīng)，對(duì)于高能激光各種應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。 二極管泵浦高能激光具備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、全電驅(qū)無限彈倉的同時(shí)，具備同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量（簡(jiǎn)稱“三高”）的潛力。在相關(guān)科學(xué)研究的帶動(dòng)以及相關(guān)應(yīng)用實(shí)用化需求牽引下，二極管泵浦高能激光的發(fā)展始終圍繞著這一“三高”目標(biāo)開展。近年來，基于不同構(gòu)型、不同體制的二極管泵浦高能激光技術(shù)研究取得快速發(fā)展，各類激光器性能水平得到了較大提升，也較大地促進(jìn)了高能激光在材料加工、空間碎片清除、科學(xué)研究、安保、國防等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。本文重點(diǎn)介紹了近年來國內(nèi)外高平均功率塊狀固體激光、高平均功率光纖激光、高功率可見光波段激光、高峰值功率激光、堿金屬蒸氣激光等二極管泵浦高能激光的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1二極管泵浦的高平均功率塊狀固體激光

1.1板條激光

板條激光器采用片狀結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)，激光激射在增益介質(zhì)長(zhǎng)度方向，而散熱在增益介質(zhì)厚度方向，由此實(shí)現(xiàn)高功率、高能量連續(xù)或脈沖激光輸出，光束質(zhì)量?jī)?yōu)良。2009 年，美國諾斯羅普?格魯曼公司發(fā)布了 7 路傳導(dǎo)冷卻端面泵浦板條 （CCEPS）相干合成激光輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（系統(tǒng)如圖 1 所示）：輸出功率為 105.5 kW，光束質(zhì)量 BQ 因子小于 3 [3-4]。這一實(shí)驗(yàn)成為高亮度固體激光器發(fā)展的里程碑。面向高功率激光輸出的板條激光包括大面泵浦和端面泵浦兩種構(gòu)型，國內(nèi)多家研究單位兩種均先后基于 Nd:YAG 和 Yb:YAG 材料實(shí)現(xiàn)了 10 kW 級(jí)到數(shù)十 kW 級(jí)的單孔徑激光輸出。

2014 年中國科學(xué)院理化研究所采用 LD 大面泵浦雙面水冷板條結(jié)構(gòu)（如圖 2 所示），板條材質(zhì)為 Nd:YAG，在泵浦激光平均功率 9.98kW、重復(fù)頻率 400Hz、脈寬 200μs 下，通過穩(wěn)腔獲得輸出平均功率 4.3kW，光光效率 43.6%[5]。2019 年，中國科學(xué)院理化研究所采用 Yb:YAG 板條作為增益介質(zhì)，采用大面泵浦低溫冷卻方式，獲得平均功率 60kW，數(shù)百 μs 脈寬的 QCW 激光輸出[6]。

大面泵浦板條激光器泵浦面面積大，可耦合的泵浦能量高，已實(shí)現(xiàn)數(shù)十 kW 激光輸出，但由于大面泵浦方式中泵浦面和冷卻面重合，因此需要采用全透明的非焊接液體直接冷卻。另外因泵浦面積大，功率密度較低，吸收長(zhǎng)度短，常溫下如果板條增益介質(zhì)采用 Yb:YAG 等準(zhǔn)三能級(jí)材料則需要提高摻雜濃度來提高吸收效率，然而高摻雜濃度使得透明閾值相應(yīng)提高，無法實(shí)現(xiàn)高功率輸出。而采用低溫冷卻技術(shù)路線雖然提升了 Yb 材料吸收，并實(shí)現(xiàn)四能級(jí)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，但給工程應(yīng)用帶來難以解決的技術(shù)困難。端面泵浦的板條激光構(gòu)型如圖 3 所示。增益介質(zhì)直接與銅冷卻器焊接，熱傳導(dǎo)系數(shù)大幅提升，加快了散熱速度，泵浦光經(jīng)過整形勻化后從端面注入在材料內(nèi)長(zhǎng)程傳輸吸收。 在諾斯羅普格魯曼公司板條激光率先實(shí)現(xiàn)單鏈路 10kW以上輸出后，國內(nèi)相關(guān)單位也陸續(xù)報(bào)道了使用端泵浦板條結(jié)構(gòu)獲得高平均功率激光輸出的結(jié)果。2010 年，華北光電技術(shù)研究所采用 2.5?W 基模種子源經(jīng)整形后先后經(jīng)過預(yù)放、4 個(gè)功率放大模塊和光束凈化后獲得功率為 11?kW，光束質(zhì)量為4.8 的激光輸出[7]。2011 年，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所報(bào)道了一套采用 4 個(gè)端泵浦 Nd 板條激光增益模塊串接MOPA 放大的激光器（如圖 4 所示），實(shí)現(xiàn)輸出功率為 11.3kW，光束質(zhì)量為 7.56 倍衍射極限[8]。

因端泵浦板條結(jié)構(gòu)能有效減小泵浦口徑，實(shí)現(xiàn)高亮度泵浦，較為適合準(zhǔn)三能級(jí) Yb 介質(zhì)激光輸出。端泵浦板條的泵浦面一般不到 2cm2，隨著單個(gè) Bar 條輸出功率提升到 200W，通過優(yōu)化耦合系統(tǒng)，可較為容易實(shí)現(xiàn)板條的泵浦亮度 50kW/cm2以上，因此理論上采用 940nm 泵浦 Yb:YAG 材料可以獲得較高的輸出功率和斜效率。2017 年，中國工程物理研究院李密等在優(yōu)化板條增益模塊和放大鏈路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單個(gè)板條7kW 連續(xù)激光輸出[9]。2018 年，中國工程物理研究院徐瀏等通過優(yōu)化設(shè)計(jì)泵浦耦合系統(tǒng)，在 Yb 增益介質(zhì)邊緣采用精細(xì)化處理技術(shù)，在提升板條負(fù)載能力的同時(shí)降低了寬度方向上的波前畸變。實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光功率 11.9kW、光束質(zhì)量 β 優(yōu)于 9.1 的激光輸出。利用主動(dòng)光學(xué)校正系統(tǒng)，光束質(zhì)量提升至 β=2.8，但激光器光光效率僅為 23%，單模塊效率為 25%[10]。同年中國工程物理研究院汪丹等通過非球面泵浦耦合技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化增益介質(zhì)表面處理技術(shù)，降低激光鏈路的像差和損耗，大幅增加泵浦亮度和 Yb 板條的負(fù)載能力，實(shí)現(xiàn)功率大于 22kW、全鏈路光光效率優(yōu)于 30% 的高質(zhì)量激光輸出（β 優(yōu)于 3.3），光光效率從 25% 提升至 36%[11]。

隨著 Yb 板條輸出功率增加，端面泵浦板條構(gòu)型缺陷正逐漸顯現(xiàn)，限制了單模塊功率、效率進(jìn)一步增加。（1）因端面泵浦結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)耦合區(qū)域較小，需采用較為復(fù)雜的耦合系統(tǒng)對(duì)泵浦光進(jìn)行較大比例的壓縮，泵浦耦合效率不高，限制了泵浦功率總量提升。（2）斜面反射的耦合方式使得板條端頭不能有效冷卻，端頭熱效應(yīng)與損傷閾值限制了泵浦功率的提升。（3）為提升輸出功率，擴(kuò)大板條增益介質(zhì)尺寸，板條內(nèi)部的熒光強(qiáng)度因增益路徑更長(zhǎng)而非線性增加，增益介質(zhì)邊緣和各個(gè)界面的熒光吸收產(chǎn)熱導(dǎo)致的波前畸變，不斷惡化輸出光束質(zhì)量。

1.2平面波導(dǎo)激光

平面波導(dǎo)激光結(jié)合了板條激光和光纖激光的優(yōu)勢(shì)，采用 YAG-Re:YAG-YAG 三明治鍵合結(jié)構(gòu)激光增益介質(zhì)（如圖 5 所示），是增益光纖和板條激光增益介質(zhì)的中間狀態(tài)。寬度方向上為數(shù)十 mm 級(jí)常規(guī)尺寸自由空間，厚度方向上為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的芯層為摻雜區(qū)，包層為折射率較低的非摻雜區(qū)域。平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光增益介質(zhì)只產(chǎn)生一維的熱流方向和熱梯度，可以更有效地抑制熱效應(yīng)。

2008 年，美國 Raytheon 公司采用 Yb:YAG 雙包層平面波導(dǎo)作為增益介質(zhì)導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了功率為 16.1kW 的激光輸出，電光效率 20%，引起了國際上的廣泛關(guān)注[12]。在 RELI 計(jì)劃的支持下，2014 年，Raytheon 開展了單個(gè)平面波導(dǎo)放大器上輸出 30kW 激光的研究[13]。采用 200W 的光纖激光器作為種子源，希望通過平面波導(dǎo)獲得 30kW 的激光輸出，并且通過自適應(yīng)光學(xué)提高其光束質(zhì)量。Raytheon 給出了 30kW 激光器概念設(shè)計(jì)如圖 5 所示，預(yù)計(jì)其體積小于0.4m3，重量小于 200kg，功率體積比為 75kW/m3，功率重量比為 150W/kg，明顯優(yōu)于目前的其他所有介質(zhì)構(gòu)型的激光器。

2017 年，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所采用 MOPA 結(jié)構(gòu)和端面抽運(yùn) Nd:YAG 平面波導(dǎo)方式，獲得了最高功率 1.5kW 的連續(xù)激光放大輸出，光光效率達(dá)到 49%；2019 年，采用 MOPA 結(jié)構(gòu)和端面抽運(yùn) Yb:YAG 平面波導(dǎo)方式，獲得了最高功率 12kW 的連續(xù)激光放大輸出，電光效率達(dá)到 30%；2021 年，完成了 10kW 平面波導(dǎo)激光樣機(jī)，如圖 6 所示，光束質(zhì)量 β＜3，電光效率大于 30%，功率質(zhì)量比達(dá)到 107W/kg，功率體積比 82kW/m3。通過增大材料尺寸和泵浦功率，在單塊材料上實(shí)現(xiàn)更高功率輸出，功率質(zhì)量比和功率體積比將會(huì)進(jìn)一步大幅提升。

1.3薄片激光

薄片激光器的增益介質(zhì)為片狀結(jié)構(gòu)，通常其厚度為亞 mm 級(jí)，熱流方向和激光傳輸方向平行，且散熱路徑短、通光孔徑大，可實(shí)現(xiàn)高功率、高能量的連續(xù)或脈沖激光輸出。其利用既有空間折疊-成像的多通泵浦機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)厚度方向上的高效泵浦吸收，這種泵浦方法最早由德國斯圖加特大學(xué) Giesen 團(tuán)隊(duì)提出，很快由德國通快等公司應(yīng)用形成了最高數(shù)十 kW 的工業(yè)用高功率薄片激光器[14]。2012 年，美國波音公司基于該技術(shù)，串接多個(gè)碟片構(gòu)成諧振器獲得了功率為 30kW 的激光輸出，電光效率大于 30%；主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了耐用電子激光器倡議（RELI）第一階段要求，如圖 7 所示，后續(xù)開展 50～100kW 激光器系統(tǒng)研制[15]。但在單孔諧振腔中，多個(gè)反射型薄片引入的波前畸變會(huì)導(dǎo)致難于校正的像差疊加和演化，更高功率水平激光器光束質(zhì)量難于控制。

1.4直接液冷浸入式激光

浸入式激光技術(shù)架構(gòu)上采用了直接冷卻片狀介質(zhì)構(gòu)型和分布式增益設(shè)計(jì)；在模塊的功率定標(biāo)放大中采用了“透射式串聯(lián)”方式，使薄片介質(zhì)無需焊接在熱沉上，不會(huì)引入焊接形變；采用側(cè)面泵浦實(shí)現(xiàn)泵浦、激光、流場(chǎng)的正交分布，進(jìn)一步減少了激光器體積的同時(shí)保證了系統(tǒng)的功率定標(biāo)放大能力。

2003 年，美國防部國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）計(jì)劃資助“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)”（HELLADS），旨在利用緊湊型激光器發(fā)展機(jī)載戰(zhàn)術(shù)自防御系統(tǒng)。在 HELLADS 支持下，達(dá)信公司和通用原子公司研制的高能激光器就采用了直接液體冷卻的方式[16]。如圖 8 所示，達(dá)信公司采用稀土摻雜陶瓷板條的 Thin-Zag 方式，板條浸泡于流動(dòng)的冷卻液中，單口徑實(shí)現(xiàn)了 100kW 的激光輸出，但由于湍流體擾動(dòng)和熱不穩(wěn)定性的影響，未能有效實(shí)現(xiàn)像差補(bǔ)償而導(dǎo)致光束質(zhì)量較差[17]。2015 年，通用原子公司研制的直接液冷固體激光器，將數(shù)百片增益介質(zhì)以陣列式的堆疊方式浸泡于特種激光冷卻液中（如圖 9 所示），采用大模體積非穩(wěn)腔方式輸出了 150kW，其技術(shù)方案結(jié)合了固體激光器的高儲(chǔ)能密度和液體激光器的流動(dòng)熱管理技術(shù)。相較于其他激光光源，通用原子的浸入式激光器功率體積比、功率重量比都具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)（見表 1）。2021 年 11 月，美國陸軍與通用原子公司、波音公司簽訂了 300kW直接液冷激光武器系統(tǒng)的研制合同。擬采用兩個(gè)第 7 代分布式增益模塊，將輸出功率由 100kW 定標(biāo)放大至 300kW激光，實(shí)現(xiàn)免合成、光束質(zhì)量與光纖激光媲美、更緊湊的高能激光方案[18]。

在國內(nèi)，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所曾于 2014 年報(bào)道了其使用 CCl4 冷卻 Nd:YAG 薄片的浸入式固體激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得了 653mJ 的單脈沖輸出，光光效率為 30%[19]。清華大學(xué)在分析了層流和湍流對(duì)激光器輸出功率和光束質(zhì)量的影響基礎(chǔ)上，采用重水直接冷卻端泵多板條增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了 3006W 激光輸出[20]；同時(shí)分析了該方式實(shí)現(xiàn) 30kW 的可能性，但評(píng)估其光束質(zhì)量只是水平方向的 M2 為 50 和垂直水平方向的 M2 為 10[21]。中國工程物理研究院團(tuán)隊(duì)于 2016 年采用折射率匹配液作為冷卻液直接冷卻 Nd:YLF 增益介質(zhì)，采用連續(xù)工作模式，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)腔單模塊輸出功率大于 1kW[22]；2016 年，采用重水冷卻液，以 20 片 Nd:YAG 薄片作為增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)腔大于 7kW 的激光輸出[23]；2018 年，基于重水冷卻液方案，采用 40 片增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了非穩(wěn)腔雙模塊大于 9kW 激光輸出[24]。

1.5小結(jié)

目前，板條激光器、浸入式液冷激光器等技術(shù)路線均實(shí)現(xiàn)了 100kW 級(jí)激光輸出，數(shù)十 kW 級(jí)的平面波導(dǎo)激光在小型輕量化方面更具優(yōu)勢(shì)。但這些方案或者分立元件多、或者需要工作于低溫環(huán)境、或者增益模塊熱、力、流、光強(qiáng)耦合系統(tǒng)復(fù)雜、或者增益介質(zhì)制備困難。且目前 100kW 級(jí)功率水平距離高效應(yīng)用需求仍有差距，往往需要采用合成等方式實(shí)現(xiàn)功率提升，這進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

針對(duì)這一問題，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)著力于更大尺寸的復(fù)雜構(gòu)型增益介質(zhì)制備、塊狀固體激光器構(gòu)型創(chuàng)新、高功率密度泵浦光場(chǎng)分布控制技術(shù)、高熱流密度傳導(dǎo)冷卻技術(shù)和波前調(diào)控技術(shù)的研究。這些研究雖然使得該型激光器技術(shù)指標(biāo)能有進(jìn)一步提升。但基于低導(dǎo)熱率 YAG 基塊狀材料的熱問題決定的效率問題（因泵浦光、信號(hào)光亮度不足）、波前畸變問題和單孔徑功率受限問題，以及這類激光器復(fù)雜的工程化問題，都給其形成裝備提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

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