----轉載自尚建力, 王君濤, 彭萬敬等人2022年的文章

摘要：高能激光廣泛應用于材料加工、科學研究、空間碎片清除、軍事應用等領域。二極管泵浦高能激光具有結構緊湊，系統簡單、全電驅無限彈倉的特點，近年來，各類二極管泵浦高能激光圍繞著同時實現高功率、高效率、高光束質量這一總目標發展迅速。詳細綜述了國內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展，并對其發展趨勢進行了展望。

高能激光廣泛應用于材料加工、科學研究、軍事應用等領域。現有研究主要集中在通過提升激光器功率、光束質量提升材料加工和目標毀傷效率；提升短脈沖能量，利用巨脈沖實現空間碎片高效清除；開展頻率變換，利用短波長實現材料的高效吸收；獲得超短脈沖超高峰值功率實現硬脆材料的高端精密加工等方面。這些應用的實現機理均是利用激光與物質相互作用中的各種力-熱效應，影響上述應用效果的因素主要即源自不同參數（體制、波長、功率/能量密度）激光與物質相互作用中力熱效應的差異。具體的，這一效應特征涉及激光波長范圍從紅外到真空紫外波段，時間結構包括連續、重復頻率和脈沖（準連續及單脈沖），作用時間從亞 ns 至數 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，會引起加熱、熔融、升華和電離等不同的熱致效應，以及熱應力與熱沖擊等靜、動力學效應。一般來說，較低功率密度(104 W/cm2 以下) 的激光會引起靶材局部加熱、熱應力乃至熔融等熱效應和熱力耦合效應；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的力學效應為主；激光功率密度在 107 W/cm2 以上，會誘導靶材生成等離子體并引起高幅值沖擊波，激光輻照主要表現為沖擊效應，在靶材很薄的區域中可能發生層裂形式的動力學破壞[1-2]。因此，研制不同波長、不同體制激光以實現不同的激光與物質相互作用的力熱效應，對于高能激光各種應用發展具有重要意義。 二極管泵浦高能激光具備系統簡單、結構緊湊、維護方便、全電驅無限彈倉的同時，具備同時實現高功率、高效率、高光束質量（簡稱“三高”）的潛力。在相關科學研究的帶動以及相關應用實用化需求牽引下，二極管泵浦高能激光的發展始終圍繞著這一“三高”目標開展。近年來，基于不同構型、不同體制的二極管泵浦高能激光技術研究取得快速發展，各類激光器性能水平得到了較大提升，也較大地促進了高能激光在材料加工、空間碎片清除、科學研究、安保、國防等領域的應用研究。本文重點介紹了近年來國內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展，并對其發展趨勢進行了展望。

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構增益介質，激光激射在增益介質長度方向，而散熱在增益介質厚度方向，由此實現高功率、高能量連續或脈沖激光輸出，光束質量優良。2009 年，美國諾斯羅普?格魯曼公司發布了 7 路傳導冷卻端面泵浦板條 （CCEPS）相干合成激光輸出的實驗結果（系統如圖 1 所示）：輸出功率為 105.5 kW，光束質量 BQ 因子小于 3 [3-4]。這一實驗成為高亮度固體激光器發展的里程碑。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型，國內多家研究單位兩種均先后基于 Nd:YAG 和 Yb:YAG 材料實現了 10 kW 級到數十 kW 級的單孔徑激光輸出。

2014 年中國科學院理化研究所采用 LD 大面泵浦雙面水冷板條結構（如圖 2 所示），板條材質為 Nd:YAG，在泵浦激光平均功率 9.98kW、重復頻率 400Hz、脈寬 200μs 下，通過穩腔獲得輸出平均功率 4.3kW，光光效率 43.6%[5]。2019 年，中國科學院理化研究所采用 Yb:YAG 板條作為增益介質，采用大面泵浦低溫冷卻方式，獲得平均功率 60kW，數百 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，已實現數十 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，吸收長度短，常溫下如果板條增益介質采用 Yb:YAG 等準三能級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提高，無法實現高功率輸出。而采用低溫冷卻技術路線雖然提升了 Yb 材料吸收，并實現四能級高效率運轉，但給工程應用帶來難以解決的技術困難。端面泵浦的板條激光構型如圖 3 所示。增益介質直接與銅冷卻器焊接，熱傳導系數大幅提升，加快了散熱速度，泵浦光經過整形勻化后從端面注入在材料內長程傳輸吸收。 在諾斯羅普格魯曼公司板條激光率先實現單鏈路 10kW以上輸出后，國內相關單位也陸續報道了使用端泵浦板條結構獲得高平均功率激光輸出的結果。2010 年，華北光電技術研究所采用 2.5?W 基模種子源經整形后先后經過預放、4 個功率放大模塊和光束凈化后獲得功率為 11?kW，光束質量為4.8 的激光輸出[7]。2011 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所報道了一套采用 4 個端泵浦 Nd 板條激光增益模塊串接MOPA 放大的激光器（如圖 4 所示），實現輸出功率為 11.3kW，光束質量為 7.56 倍衍射極限[8]。

因端泵浦板條結構能有效減小泵浦口徑，實現高亮度泵浦，較為適合準三能級 Yb 介質激光輸出。端泵浦板條的泵浦面一般不到 2cm2，隨著單個 Bar 條輸出功率提升到 200W，通過優化耦合系統，可較為容易實現板條的泵浦亮度 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化板條增益模塊和放大鏈路的基礎上實現單個板條7kW 連續激光輸出[9]。2018 年，中國工程物理研究院徐瀏等通過優化設計泵浦耦合系統，在 Yb 增益介質邊緣采用精細化處理技術，在提升板條負載能力的同時降低了寬度方向上的波前畸變。實現連續激光功率 11.9kW、光束質量 β 優于 9.1 的激光輸出。利用主動光學校正系統，光束質量提升至 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，進一步優化增益介質表面處理技術，降低激光鏈路的像差和損耗，大幅增加泵浦亮度和 Yb 板條的負載能力，實現功率大于 22kW、全鏈路光光效率優于 30% 的高質量激光輸出（β 優于 3.3），光光效率從 25% 提升至 36%[11]。

隨著 Yb 板條輸出功率增加，端面泵浦板條構型缺陷正逐漸顯現，限制了單模塊功率、效率進一步增加。（1）因端面泵浦結構增益介質耦合區域較小，需采用較為復雜的耦合系統對泵浦光進行較大比例的壓縮，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，端頭熱效應與損傷閾值限制了泵浦功率的提升。（3）為提升輸出功率，擴大板條增益介質尺寸，板條內部的熒光強度因增益路徑更長而非線性增加，增益介質邊緣和各個界面的熒光吸收產熱導致的波前畸變，不斷惡化輸出光束質量。

1.2平面波導激光

平面波導激光結合了板條激光和光纖激光的優勢，采用 YAG-Re:YAG-YAG 三明治鍵合結構激光增益介質（如圖 5 所示），是增益光纖和板條激光增益介質的中間狀態。寬度方向上為數十 mm 級常規尺寸自由空間，厚度方向上為波導結構。波導結構的芯層為摻雜區，包層為折射率較低的非摻雜區域。平面波導結構激光增益介質只產生一維的熱流方向和熱梯度，可以更有效地抑制熱效應。

2008 年，美國 Raytheon 公司采用 Yb:YAG 雙包層平面波導作為增益介質導實現了功率為 16.1kW 的激光輸出，電光效率 20%，引起了國際上的廣泛關注[12]。在 RELI 計劃的支持下，2014 年，Raytheon 開展了單個平面波導放大器上輸出 30kW 激光的研究[13]。采用 200W 的光纖激光器作為種子源，希望通過平面波導獲得 30kW 的激光輸出，并且通過自適應光學提高其光束質量。Raytheon 給出了 30kW 激光器概念設計如圖 5 所示，預計其體積小于0.4m3，重量小于 200kg，功率體積比為 75kW/m3，功率重量比為 150W/kg，明顯優于目前的其他所有介質構型的激光器。

2017 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所采用 MOPA 結構和端面抽運 Nd:YAG 平面波導方式，獲得了最高功率 1.5kW 的連續激光放大輸出，光光效率達到 49%；2019 年，采用 MOPA 結構和端面抽運 Yb:YAG 平面波導方式，獲得了最高功率 12kW 的連續激光放大輸出，電光效率達到 30%；2021 年，完成了 10kW 平面波導激光樣機，如圖 6 所示，光束質量 β＜3，電光效率大于 30%，功率質量比達到 107W/kg，功率體積比 82kW/m3。通過增大材料尺寸和泵浦功率，在單塊材料上實現更高功率輸出，功率質量比和功率體積比將會進一步大幅提升。

1.3薄片激光

薄片激光器的增益介質為片狀結構，通常其厚度為亞 mm 級，熱流方向和激光傳輸方向平行，且散熱路徑短、通光孔徑大，可實現高功率、高能量的連續或脈沖激光輸出。其利用既有空間折疊-成像的多通泵浦機構，實現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 Giesen 團隊提出，很快由德國通快等公司應用形成了最高數十 kW 的工業用高功率薄片激光器[14]。2012 年，美國波音公司基于該技術，串接多個碟片構成諧振器獲得了功率為 30kW 的激光輸出，電光效率大于 30%；主要技術指標達到了耐用電子激光器倡議（RELI）第一階段要求，如圖 7 所示，后續開展 50～100kW 激光器系統研制[15]。但在單孔諧振腔中，多個反射型薄片引入的波前畸變會導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量難于控制。

1.4直接液冷浸入式激光

浸入式激光技術架構上采用了直接冷卻片狀介質構型和分布式增益設計；在模塊的功率定標放大中采用了“透射式串聯”方式，使薄片介質無需焊接在熱沉上，不會引入焊接形變；采用側面泵浦實現泵浦、激光、流場的正交分布，進一步減少了激光器體積的同時保證了系統的功率定標放大能力。

2003 年，美國防部國防高級研究計劃局（DARPA）計劃資助“高能液體激光區域防御系統”（HELLADS），旨在利用緊湊型激光器發展機載戰術自防御系統。在 HELLADS 支持下，達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，板條浸泡于流動的冷卻液中，單口徑實現了 100kW 的激光輸出，但由于湍流體擾動和熱不穩定性的影響，未能有效實現像差補償而導致光束質量較差[17]。2015 年，通用原子公司研制的直接液冷固體激光器，將數百片增益介質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），采用大模體積非穩腔方式輸出了 150kW，其技術方案結合了固體激光器的高儲能密度和液體激光器的流動熱管理技術。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勢（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的研制合同。擬采用兩個第 7 代分布式增益模塊，將輸出功率由 100kW 定標放大至 300kW激光，實現免合成、光束質量與光纖激光媲美、更緊湊的高能激光方案[18]。

在國內，中國科學院西安光學精密機械研究所曾于 2014 年報道了其使用 CCl4 冷卻 Nd:YAG 薄片的浸入式固體激光器實驗結果，獲得了 653mJ 的單脈沖輸出，光光效率為 30%[19]。清華大學在分析了層流和湍流對激光器輸出功率和光束質量的影響基礎上，采用重水直接冷卻端泵多板條增益介質，實現了 3006W 激光輸出[20]；同時分析了該方式實現 30kW 的可能性，但評估其光束質量只是水平方向的 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隊于 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，采用連續工作模式，實現了穩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，實現了穩腔大于 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，實現了非穩腔雙模塊大于 9kW 激光輸出[24]。

1.5小結

目前，板條激光器、浸入式液冷激光器等技術路線均實現了 100kW 級激光輸出，數十 kW 級的平面波導激光在小型輕量化方面更具優勢。但這些方案或者分立元件多、或者需要工作于低溫環境、或者增益模塊熱、力、流、光強耦合系統復雜、或者增益介質制備困難。且目前 100kW 級功率水平距離高效應用需求仍有差距，往往需要采用合成等方式實現功率提升，這進一步提升了系統的復雜性。

針對這一問題，國內外多家研究機構著力于更大尺寸的復雜構型增益介質制備、塊狀固體激光器構型創新、高功率密度泵浦光場分布控制技術、高熱流密度傳導冷卻技術和波前調控技術的研究。這些研究雖然使得該型激光器技術指標能有進一步提升。但基于低導熱率 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，以及這類激光器復雜的工程化問題，都給其形成裝備提出嚴峻的挑戰。

--未完待續--

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