---轉(zhuǎn)載自尚建力,王君濤,彭萬敬等人2022年的文章

2高平均功率光纖激光

2.1高功率寬譜光纖激光器

高功率光纖激光器采用雙包層的大模場摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，具有亮度高、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)光纖本身表面體積比大，散熱性能優(yōu)，極大地改善激光器的穩(wěn)定性和降低散熱系統(tǒng)的復(fù)雜性，十分適合于先進(jìn)制造、能源勘探、國家安全等領(lǐng)域的應(yīng)用。自 2004年，英國南安普頓大學(xué)首次報(bào)道了 1.36kW 的單模連續(xù)激光的輸出[25]。美國 IPG 公司先后于在 2009 年和 2013 年報(bào)道了單光纖單模 9.6kW和 20kW的光纖激光輸出[26-27]。國內(nèi)單高功率光纖激光器的研究也進(jìn)展十分迅速。2019 年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所基于 Al-P-Si三元光纖材料組分減小了鐿離子的團(tuán)簇效應(yīng)，拉制出光暗化抑制和高發(fā)光效率的增益光纖，并采用自研光纖器件搭建了全光纖激光實(shí)驗(yàn)平臺，獲得 10.14kW的光纖激光輸出[28]，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖 10 所示。2021 年中國工程物理研究院化工材料研究所高功率光纖激光技術(shù)所地聯(lián)合創(chuàng)新中心團(tuán)隊(duì)成功制備了“富磷少鋁”抗光子暗化LMA-48/400-YDF激光光纖，清華大學(xué)光纖激光系統(tǒng)集成測試突破單纖20kW功率[29]。

不過，單纖功率的進(jìn)一步提升受到 SRS 效應(yīng)，模式不穩(wěn)定，以及光纖熱應(yīng)力、熱損傷效應(yīng)的限制。在不考慮模式不穩(wěn)定效應(yīng)的情況下，美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室[30] 和德國耶拿大學(xué)[31] 分別在半導(dǎo)體激光泵浦和級聯(lián)泵浦的情況下做了模擬計(jì)算，結(jié)果顯示，摻鐿光纖激光器單纖所能達(dá)到的極限輸出功率分別為 36.6kW 和 70kW，光纖激光器單纖存在輸出理論上的閾值。

2.2高功率窄線寬保偏單纖激光器

由于光纖激光器單纖功率提升技術(shù)面臨非線性、模式不穩(wěn)定等多方面的瓶頸，為實(shí)現(xiàn)更高功率，更高光束質(zhì)量的激光輸出，多纖功率合成是目前公認(rèn)的最具可實(shí)現(xiàn)性和有效性的手段之一?，F(xiàn)有的多纖功率合成的主流方案為相干合成和光譜合成[32-34]。一方面，無論是光譜合成系統(tǒng)的高光譜功率密度要求，還是相干合成應(yīng)用的高相干性要求，都需要高功率單纖激光的線寬盡可能窄。此時(shí)受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)[35] 的局限性隨著單纖功率的提升愈發(fā)明顯，綜合考慮到多纖功率合成系統(tǒng)復(fù)雜程度、穩(wěn)定性、合成效率等因素的影響，其輸出線寬也不需要嚴(yán)格單頻，線寬容忍度可達(dá)幾十到百 GHz 量級[36-40]。另一方面，保偏單纖激光器具有很高的線偏振度，不僅保證了相干合成對子束相干性要求，也降低了光譜合成對合成器件的工藝要求，更適合作為合成子束。因而，高功率窄線寬保偏單纖激光作為一種特殊的高功率光纖激光器，是追求更高功率優(yōu)質(zhì)合成光纖激光的關(guān)鍵，近幾年越來越被人們所重視。

2016年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室采用 PRBS 相位調(diào)制方法展寬單頻種子源，基于自主研發(fā)的鍍金高摻雜大模場摻鐿光纖和雙向泵浦的空間耦合結(jié)構(gòu)，采用偏振控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率3.1kW、線寬12GHz 的線偏振激光輸出，偏振消光比為10dB，中心波長為1066nm，光束質(zhì)量因子 M2＜1.15，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖 11 所示[41]。

2020 年，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所將窄線寬線偏振光纖振蕩器種子注入全保偏光纖放大器，實(shí)現(xiàn)功率為 3.08kW、線寬為 0.2nm 的線偏振光纖激光輸出，偏振消光比約為 94%，光束質(zhì)量因子 M2 小于1.45[42]。2021 年，基于 WNS 相位調(diào)制進(jìn)一步優(yōu)化光譜線寬，采取反向泵浦結(jié)構(gòu)提高SBS 閾值，最終實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)3.25kW近衍射極限線偏振激光輸出，3dB 線寬約為 20GHz，偏振消光比為14.2dB，光束質(zhì)量因子 M2 小于 1.3，其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖 12 所示，輸出光譜和光束質(zhì)量測量結(jié)果如圖 13 所示，這是目前公開報(bào)道的基于全光纖結(jié)構(gòu)窄線寬保偏光纖激光器最高輸出功率[43]。

2.3多纖功率合成

現(xiàn)有的多纖功率合成方案主要分為相干合成和光譜合成[44-49]。相干合成采用的是多個(gè)相同線寬、波長、偏振的光纖激光進(jìn)行功率合成，而光譜合成采用的是不同波長的窄線寬光纖激光器進(jìn)行合成。

相干合成是指精確控制各路光束的相位，使多個(gè)相同波長子束以相干的方式實(shí)現(xiàn)功率疊加。按照各子單元合束方式的不同，相干合束可以分為共孔徑合束和分孔徑合束。分孔徑相干合成指各子光束由分立孔徑輸出，在發(fā)射近場各路光束中心存在一定間距，而在發(fā)射遠(yuǎn)場各路光束進(jìn)行有效的相干合成；美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室在 2014 年和 2015 年，使用相干合成方法，分別實(shí)現(xiàn)了 34kW 和 44kW 接近理想光束質(zhì)量的激光輸出（圖 14）[44]。

共孔徑相干合成指各子光束由一個(gè)共同的孔徑發(fā)射，在發(fā)射近場各路光束中心完全重合，最終表現(xiàn)為一路激光輸出。2015 年美國空軍實(shí)驗(yàn)室利用 5 臺 1.2kW 窄線寬保偏光纖激光器，通過 DOE 共孔徑相干合成手段，實(shí)現(xiàn)了 4.9kW 單孔徑光纖激光輸出，M2～1.1，合成效率達(dá)到 82%，實(shí)驗(yàn)光路如圖 15 所示[45]。

光譜合束可以看做是反向運(yùn)用了色散過程，利用色散元件，將不同角度入射到色散元件的不同波長的光束實(shí)現(xiàn)同角度與共孔徑的輸出。根據(jù)合束系統(tǒng)中使用的色散元件的不同，可以分為基于雙色片的光譜合束技術(shù)、基于體布拉格光柵的光譜合束技術(shù)和基于衍射光柵的光譜合束技術(shù)。其中基于雙色片與基于體布拉格光柵的光譜合成技術(shù)都難以實(shí)現(xiàn)大陣列規(guī)模的合束，基于衍射光柵的光譜合成方案是當(dāng)前的主流譜合成方案。

2016 年，洛克希德·馬丁公司實(shí)現(xiàn)了 96 路的密集組束光譜合成，圖 16為其所采用的光譜結(jié)構(gòu)示意圖，實(shí)現(xiàn)了總功率 30kW 的激光輸出[46]，2017 年實(shí)現(xiàn)了 60kW 級的光纖光譜合成光源樣機(jī)；2019 年將功率擴(kuò)展為 150kW[47]。2019 年，中國航天科技集團(tuán)采用基于透射式雙光柵結(jié)構(gòu)的光譜合束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了六路激光的穩(wěn)定合束，最終合束功率 10.6kW[48]。

2.4小結(jié)

一般的高功率光纖激光器無需考慮線寬和偏振等指標(biāo)，單纖功率已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn) 20kW，但由于存在 SBS，SRS 效應(yīng)，模式不穩(wěn)定，以及光纖熱應(yīng)力、熱損傷效應(yīng)等因素的限制，現(xiàn)有基于雙包層光纖的單纖功率理論上限不超過 70kW。

針對更高功率多纖功率合成的窄線寬子束需求，高功率窄線寬保偏光纖激光器技術(shù)成為了高功率光纖激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，20GHz 級窄線寬保偏光纖激光器的輸出功率已經(jīng)突破 3kW，并向更窄線寬、更高單纖功率展開探索，而這一過程中，此時(shí) SBS 效應(yīng)將會(huì)成為導(dǎo)致激光器功率上限的最關(guān)鍵因素。新的 SBS 抑制方式將是實(shí)現(xiàn)窄線寬保偏光纖激光器功率跨越的關(guān)鍵技術(shù)。

相干合成方案雖然在原理上可以在保證光譜純度的前提下實(shí)現(xiàn)極高亮度的激光輸出，但該合成技術(shù)對光源，合成元件，以及相位控制系統(tǒng)均提出了嚴(yán)格要求，研制難度大。光譜合成技術(shù)對色散元件的熱穩(wěn)定性也有嚴(yán)格要求，另外，由于單纖激光的工作波段有限（～40nm），因而合成路數(shù)不能無限增加，單纖功率直接限制了光譜合成的總功率上限。目前基于光譜合成技術(shù)最高可獲得 150kW 激光輸出，基于相干合成技術(shù)最高可獲得 44kW 激光輸出，正在研究與發(fā)展更高功率的光纖激光技術(shù)。

3堿金屬蒸氣激光器

3.1優(yōu)勢和難點(diǎn)

堿金屬原子也具有極低的量子虧損，美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的 Krupke 最早申請了半導(dǎo)體泵浦堿金屬蒸氣激光器（DPALs）的專利，并提出了單口徑 MW 級系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。DPALs 以流動(dòng)堿金屬飽和蒸氣做增益介質(zhì)，以堿金屬 D 雙線分別作為泵浦上能級和激光上能級，形成三能級激光系統(tǒng)。但其能級結(jié)構(gòu)上也決定了其產(chǎn)生高能激光存在著嚴(yán)重的技術(shù)困難，包括極窄的泵浦帶寬（＜1nm），泵浦上能級和激光上能級間的弛豫困難等。

堿金屬激光主要研究集中在 K，Rb 和 Cs 堿金屬元素。堿金屬原子能級結(jié)構(gòu)相似，最外層均只有一個(gè)價(jià)電子。由于堿金屬原子激發(fā)態(tài)與激光上能級間隔很小，使得堿金屬激光躍遷具有極高的量子效率 (K為 99.6%，Rb為98.1%，Cs為 95.3%，固體 Nd：YAG為 76%，Yb：YAG 為 91%)。

以銣原子為例說明堿金屬的能級結(jié)構(gòu)，DPAL 是單個(gè)電子躍遷的三能級系統(tǒng)，中性堿金屬原子有三個(gè)活躍的電子能級：基態(tài)能級 52S1/2，兩個(gè)激發(fā)能級52P3/2和 52P1/2。在二極管泵浦下堿金屬原子由基態(tài) 52S1/2躍遷到激發(fā)態(tài)52P3/2（泵浦上能級），在被激發(fā)原子發(fā)生自發(fā)輻射之前，它與緩沖氣體碰撞被快速弛豫到最低的激發(fā)態(tài) 52P1/2（激光上能級）。受二極管的強(qiáng)泵浦產(chǎn)生了具有增益的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)它們以受激發(fā)射的方式由 52P1/2回到基態(tài) 52S1/2 時(shí)導(dǎo)致共振 D1 躍遷產(chǎn)生激光。

鉀、銣和銫蒸氣相關(guān)參數(shù)見表 2。其基本參數(shù)決定了堿金屬激光器的一些基本物理性質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)及不同路線的優(yōu)缺點(diǎn)。這些基本參數(shù)決定了堿金屬激光具有以下特點(diǎn)。（1）介質(zhì)濃度隨溫度變化敏感；（2）自然線寬窄，需高壓運(yùn)行；（3）泵浦上能級到激光上能級的弛豫速率設(shè)計(jì)影響激光系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；（4）極短的能級壽命要求高強(qiáng)度泵浦和高強(qiáng)度提??；（5）高量子效率帶來的強(qiáng)泵浦要求。

3.2發(fā)展概況

1999 年，Konefal 采用鈦寶石激光器在添加乙烷緩沖氣體的條件下對銣原子 D2 線進(jìn)行光泵浦，觀察到了放大自發(fā)輻射現(xiàn)象；并基于該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步指出縱向泵浦的堿金屬-分子氣體放大器在理論上是可行的。在這一推動(dòng)下，美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的 Krupke 等人于 2001 年首次提出半導(dǎo)體泵浦堿金屬蒸氣激光器（DPAL）的概念[49]，并于 2003 年利用功率為 500mW 連續(xù)輸出的鈦藍(lán)寶石激光器做泵浦源，泵浦光波長 780nm，線寬為 50GHz，池內(nèi)充入 69825Pa 的 He，9975Pa 的 C2H6 和 Rb 蒸氣，系統(tǒng)工作溫度維持在 (120±1)℃。實(shí)驗(yàn)得到波長為 795nm，功率為 30mW 的接近衍射極限的線偏振激光輸出，激光器的斜率效率約為 54%[50]。

2005 年，美國空軍軍官學(xué)校的 Zhdanov 等采用譜寬 200kHz 的摻鈦藍(lán)寶石激光器端面泵浦 Cs 蒸氣[51]。該實(shí)驗(yàn)充分優(yōu)化了泵浦結(jié)構(gòu)、工作溫度和耦合輸出率等參量，斜率效率高達(dá) 81%、實(shí)現(xiàn)了光光轉(zhuǎn)換效率為 63% 的 0.35W高效激光輸出。實(shí)驗(yàn)獲得的效率已十分接近最大的理論斜率效率 85.8%，這是堿金屬激光器研究到目前為止獲得的最高斜率效率。

2008 年，通用原子的 Zweiback 等人利用橄欖石激光器作為泵浦源，光譜線寬（～0.2nm）與 VBG 耦合半導(dǎo)體泵浦源相當(dāng)，脈寬（～300ns）相對于堿金屬原子的弛豫時(shí)間可以模擬 CW 泵浦情形，單脈沖能量～40mJ，重復(fù)頻率 10Hz，能夠較好的模擬無熱效應(yīng)條件下高功率半導(dǎo)體泵浦的情形；利用此泵浦源實(shí)現(xiàn)了光-光效率 64%、斜率效率 72%的銣激光[52]，且在最高峰值功率 73kW（23kW/cm2）條件下輸出激光能量保持良好的線性增長，這一結(jié)果說明 DPAL在高泵浦強(qiáng)度下不存在或至少不顯著存在嚴(yán)重的負(fù)面寄生效應(yīng)，其高功率定標(biāo)放大不存在基礎(chǔ)的物理限制。

2011 年，空軍理工學(xué)院和空軍研究實(shí)驗(yàn)室采用脈沖泵浦源對銣蒸氣激光器在高泵浦強(qiáng)度下的動(dòng)力學(xué)過程、銣原子循環(huán)時(shí)間，以及雙光子過程等展開了深入研究；其中 Miller 等報(bào)道了銣蒸氣激光器在 3.5MW/cm2 極端泵浦條件下（＞1000 倍閾值）的運(yùn)轉(zhuǎn)性能[53]，結(jié)果表明此時(shí)轉(zhuǎn)換效率仍能達(dá)到 36%（相對吸收泵浦光子），瓶頸僅在于精細(xì)結(jié)構(gòu)弛豫速率的不足，并且沒有證據(jù)表明碰撞能量合并、電離以及其他非線性效應(yīng)等導(dǎo)致了激光性能的下降。

2010 年 7 月，空軍研究實(shí)驗(yàn)室首次成功實(shí)現(xiàn)了橫向泵浦流動(dòng)介質(zhì) DPAL，并將其命名為 FDPAL（flowingDPAL），標(biāo)志著堿蒸氣激光器的發(fā)展進(jìn)入了功率提升的實(shí)質(zhì)性階段[54]。2012 年，俄聯(lián)邦核物理中心（RussianFederalNuclearCenter）的科學(xué)家們采用弱壓窄（線寬～0.7nm）的高功率半導(dǎo)體系統(tǒng)泵浦閉環(huán)流動(dòng)（流速 20m/s）堿蒸氣增益介質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)了～1kW 的 CW 銫激光輸出[55]，光光轉(zhuǎn)換效率～48%，系統(tǒng)緊湊輕巧，循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)體積僅為 3000cm3。

這是關(guān)于 FDPAL 系統(tǒng)性能首次公開報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分驗(yàn)證了流動(dòng)散熱的有效性，并將功率推進(jìn)至 kW 級水平，是 DPAL 發(fā)展中的重大突破和里程碑式成果。

LLNL 于 2015 年成功實(shí)現(xiàn)了 14kW 的銣激光 (圖 17)[56]。2016 年 ，LLNL 獲得了 MDA 約 1.6 億的資助[57]，進(jìn)一步將功率提升至 30kW[58]，并計(jì)劃于 2019 年將功率提升至 120kW[59]。

3.3小結(jié)

堿金屬激光對泵浦提出了遠(yuǎn)高于固體激光的要求，其一，其需要足夠高的亮度實(shí)現(xiàn)三能級系統(tǒng)閾值；其二，必須實(shí)現(xiàn)快速的吸收和受激發(fā)射抑制極強(qiáng)的泵浦上能級自發(fā)輻射；其三，堿金屬蒸氣泵浦吸收帶寬較常見固體激光增益材料低1 個(gè)量級；最后，堿金屬蒸氣無法形成類似塊狀固體的邊界對泵浦光實(shí)現(xiàn)約束，長程均勻傳輸更加困難。在工程上，需要突破上述泵浦技術(shù)難題的同時(shí)，還需要解決高溫、高壓氣體的受控流動(dòng)和像差控制問題，以及光學(xué)元件在高溫、高壓、強(qiáng)光和腐蝕環(huán)境中的吸收和損傷問題，堿金屬激光才可能實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。從目前研究看，上述難題均為工程問題，并不存在物理層面的問題，隨著近年來泵浦源技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)工程技術(shù)的突破，堿金屬激光輸出功率水平將快速提升，并逐漸開始關(guān)注光束質(zhì)量控制、構(gòu)型優(yōu)化和工程應(yīng)用問題。堿金屬激光技術(shù)途徑有望實(shí)現(xiàn)單孔徑諧振器 MW 級激光輸出，并可實(shí)現(xiàn)與光纖激光相媲美的電光效率，遠(yuǎn)超現(xiàn)有各技術(shù)路線的緊湊輕量型，最終成為一種近乎理想的高能激光器。

--未完待續(xù)--

天津見合八方光電科技有限公司，是一家專注半導(dǎo)體光放大器SOA研發(fā)和生產(chǎn)的高科技企業(yè)，目前已推出多款半導(dǎo)體光放大器SOA產(chǎn)品（1060nm, 1310nm, 1550nm），公司已建立了萬級超凈間實(shí)驗(yàn)室，擁有較為全面的光芯片的生產(chǎn)加工、測試和封裝設(shè)備，并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進(jìn)行小型SOA器件、DFB+SOA的混合集成器件、可見光波長SOA器件、大功率SOA器件的研發(fā)工作，并可對外承接各種光電器件測試、封裝和加工服務(wù)。