---轉載自尚建力,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，具有亮度高、效率高、結構緊湊等優點。同時光纖本身表面體積比大，散熱性能優，極大地改善激光器的穩定性和降低散熱系統的復雜性，十分適合于先進制造、能源勘探、國家安全等領域的應用。自 2004年，英國南安普頓大學首次報道了 1.36kW 的單模連續激光的輸出[25]。美國 IPG 公司先后于在 2009 年和 2013 年報道了單光纖單模 9.6kW和 20kW的光纖激光輸出[26-27]。國內單高功率光纖激光器的研究也進展十分迅速。2019 年，中國科學院上海光學精密機械研究所基于 Al-P-Si三元光纖材料組分減小了鐿離子的團簇效應，拉制出光暗化抑制和高發光效率的增益光纖，并采用自研光纖器件搭建了全光纖激光實驗平臺，獲得 10.14kW的光纖激光輸出[28]，實驗結構圖如圖 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所地聯合創新中心團隊成功制備了“富磷少鋁”抗光子暗化LMA-48/400-YDF激光光纖，清華大學光纖激光系統集成測試突破單纖20kW功率[29]。

不過，單纖功率的進一步提升受到 SRS 效應，模式不穩定，以及光纖熱應力、熱損傷效應的限制。在不考慮模式不穩定效應的情況下，美國利弗莫爾國家實驗室[30] 和德國耶拿大學[31] 分別在半導體激光泵浦和級聯泵浦的情況下做了模擬計算，結果顯示，摻鐿光纖激光器單纖所能達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面臨非線性、模式不穩定等多方面的瓶頸，為實現更高功率，更高光束質量的激光輸出，多纖功率合成是目前公認的最具可實現性和有效性的手段之一。現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的高光譜功率密度要求，還是相干合成應用的高相干性要求，都需要高功率單纖激光的線寬盡可能窄。此時受激布里淵散射（SBS）效應[35] 的局限性隨著單纖功率的提升愈發明顯，綜合考慮到多纖功率合成系統復雜程度、穩定性、合成效率等因素的影響，其輸出線寬也不需要嚴格單頻，線寬容忍度可達幾十到百 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，是追求更高功率優質合成光纖激光的關鍵，近幾年越來越被人們所重視。

2016年，美國麻省理工學院（MIT）林肯實驗室采用 PRBS 相位調制方法展寬單頻種子源，基于自主研發的鍍金高摻雜大模場摻鐿光纖和雙向泵浦的空間耦合結構，采用偏振控制技術實現功率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，光束質量因子 M2＜1.15，實驗結構如圖 11 所示[41]。

2020 年，中國工程物理研究院應用電子學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，實現功率為 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%，光束質量因子 M2 小于1.45[42]。2021 年，基于 WNS 相位調制進一步優化光譜線寬，采取反向泵浦結構提高SBS 閾值，最終實現全光纖結構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，光束質量因子 M2 小于 1.3，其實驗結構如圖 12 所示，輸出光譜和光束質量測量結果如圖 13 所示，這是目前公開報道的基于全光纖結構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相同線寬、波長、偏振的光纖激光進行功率合成，而光譜合成采用的是不同波長的窄線寬光纖激光器進行合成。

相干合成是指精確控制各路光束的相位，使多個相同波長子束以相干的方式實現功率疊加。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，在發射近場各路光束中心存在一定間距，而在發射遠場各路光束進行有效的相干合成；美國麻省理工學院林肯實驗室在 2014 年和 2015 年，使用相干合成方法，分別實現了 34kW 和 44kW 接近理想光束質量的激光輸出（圖 14）[44]。

共孔徑相干合成指各子光束由一個共同的孔徑發射，在發射近場各路光束中心完全重合，最終表現為一路激光輸出。2015 年美國空軍實驗室利用 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，實現了 4.9kW 單孔徑光纖激光輸出，M2～1.1，合成效率達到 82%，實驗光路如圖 15 所示[45]。

光譜合束可以看做是反向運用了色散過程，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現同角度與共孔徑的輸出。根據合束系統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、基于體布拉格光柵的光譜合束技術和基于衍射光柵的光譜合束技術。其中基于雙色片與基于體布拉格光柵的光譜合成技術都難以實現大陣列規模的合束，基于衍射光柵的光譜合成方案是當前的主流譜合成方案。

2016 年，洛克希德·馬丁公司實現了 96 路的密集組束光譜合成，圖 16為其所采用的光譜結構示意圖，實現了總功率 30kW 的激光輸出[46]，2017 年實現了 60kW 級的光纖光譜合成光源樣機；2019 年將功率擴展為 150kW[47]。2019 年，中國航天科技集團采用基于透射式雙光柵結構的光譜合束系統的設計，實現了六路激光的穩定合束，最終合束功率 10.6kW[48]。

2.4小結

一般的高功率光纖激光器無需考慮線寬和偏振等指標，單纖功率已經能夠實現 20kW，但由于存在 SBS，SRS 效應，模式不穩定，以及光纖熱應力、熱損傷效應等因素的限制，現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成為了高功率光纖激光領域的研究熱點。目前，20GHz 級窄線寬保偏光纖激光器的輸出功率已經突破 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 SBS 效應將會成為導致激光器功率上限的最關鍵因素。新的 SBS 抑制方式將是實現窄線寬保偏光纖激光器功率跨越的關鍵技術。

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現極高亮度的激光輸出，但該合成技術對光源，合成元件，以及相位控制系統均提出了嚴格要求，研制難度大。光譜合成技術對色散元件的熱穩定性也有嚴格要求，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最高可獲得 150kW 激光輸出，基于相干合成技術最高可獲得 44kW 激光輸出，正在研究與發展更高功率的光纖激光技術。

3堿金屬蒸氣激光器

3.1優勢和難點

堿金屬原子也具有極低的量子虧損，美國利弗莫爾國家實驗室的 Krupke 最早申請了半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器（DPALs）的專利，并提出了單口徑 MW 級系統的概念設計。DPALs 以流動堿金屬飽和蒸氣做增益介質，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。但其能級結構上也決定了其產生高能激光存在著嚴重的技術困難，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。堿金屬原子能級結構相似，最外層均只有一個價電子。由于堿金屬原子激發態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構，DPAL 是單個電子躍遷的三能級系統，中性堿金屬原子有三個活躍的電子能級：基態能級 52S1/2，兩個激發能級52P3/2和 52P1/2。在二極管泵浦下堿金屬原子由基態 52S1/2躍遷到激發態52P3/2（泵浦上能級），在被激發原子發生自發輻射之前，它與緩沖氣體碰撞被快速弛豫到最低的激發態 52P1/2（激光上能級）。受二極管的強泵浦產生了具有增益的粒子數反轉，當它們以受激發射的方式由 52P1/2回到基態 52S1/2 時導致共振 D1 躍遷產生激光。

鉀、銣和銫蒸氣相關參數見表 2。其基本參數決定了堿金屬激光器的一些基本物理性質、運行參數及不同路線的優缺點。這些基本參數決定了堿金屬激光具有以下特點。（1）介質濃度隨溫度變化敏感；（2）自然線寬窄，需高壓運行；（3）泵浦上能級到激光上能級的弛豫速率設計影響激光系統運行狀態；（4）極短的能級壽命要求高強度泵浦和高強度提取；（5）高量子效率帶來的強泵浦要求。

3.2發展概況

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 線進行光泵浦，觀察到了放大自發輻射現象；并基于該實驗結果進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。在這一推動下，美國利弗莫爾國家實驗室的 Krupke 等人于 2001 年首次提出半導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 連續輸出的鈦藍寶石激光器做泵浦源，泵浦光波長 780nm，線寬為 50GHz，池內充入 69825Pa 的 He，9975Pa 的 C2H6 和 Rb 蒸氣，系統工作溫度維持在 (120±1)℃。實驗得到波長為 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，美國空軍軍官學校的 Zhdanov 等采用譜寬 200kHz 的摻鈦藍寶石激光器端面泵浦 Cs 蒸氣[51]。該實驗充分優化了泵浦結構、工作溫度和耦合輸出率等參量，斜率效率高達 81%、實現了光光轉換效率為 63% 的 0.35W高效激光輸出。實驗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 耦合半導體泵浦源相當，脈寬（～300ns）相對于堿金屬原子的弛豫時間可以模擬 CW 泵浦情形，單脈沖能量～40mJ，重復頻率 10Hz，能夠較好的模擬無熱效應條件下高功率半導體泵浦的情形；利用此泵浦源實現了光-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，這一結果說明 DPAL在高泵浦強度下不存在或至少不顯著存在嚴重的負面寄生效應，其高功率定標放大不存在基礎的物理限制。

2011 年，空軍理工學院和空軍研究實驗室采用脈沖泵浦源對銣蒸氣激光器在高泵浦強度下的動力學過程、銣原子循環時間，以及雙光子過程等展開了深入研究；其中 Miller 等報道了銣蒸氣激光器在 3.5MW/cm2 極端泵浦條件下（＞1000 倍閾值）的運轉性能[53]，結果表明此時轉換效率仍能達到 36%（相對吸收泵浦光子），瓶頸僅在于精細結構弛豫速率的不足，并且沒有證據表明碰撞能量合并、電離以及其他非線性效應等導致了激光性能的下降。

2010 年 7 月，空軍研究實驗室首次成功實現了橫向泵浦流動介質 DPAL，并將其命名為 FDPAL（flowingDPAL），標志著堿蒸氣激光器的發展進入了功率提升的實質性階段[54]。2012 年，俄聯邦核物理中心（RussianFederalNuclearCenter）的科學家們采用弱壓窄（線寬～0.7nm）的高功率半導體系統泵浦閉環流動（流速 20m/s）堿蒸氣增益介質，成功實現了～1kW 的 CW 銫激光輸出[55]，光光轉換效率～48%，系統緊湊輕巧，循環流動系統體積僅為 3000cm3。

這是關于 FDPAL 系統性能首次公開報道的實驗結果，充分驗證了流動散熱的有效性，并將功率推進至 kW 級水平，是 DPAL 發展中的重大突破和里程碑式成果。

LLNL 于 2015 年成功實現了 14kW 的銣激光 (圖 17)[56]。2016 年 ，LLNL 獲得了 MDA 約 1.6 億的資助[57]，進一步將功率提升至 30kW[58]，并計劃于 2019 年將功率提升至 120kW[59]。

3.3小結

堿金屬激光對泵浦提出了遠高于固體激光的要求，其一，其需要足夠高的亮度實現三能級系統閾值；其二，必須實現快速的吸收和受激發射抑制極強的泵浦上能級自發輻射；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現約束，長程均勻傳輸更加困難。在工程上，需要突破上述泵浦技術難題的同時，還需要解決高溫、高壓氣體的受控流動和像差控制問題，以及光學元件在高溫、高壓、強光和腐蝕環境中的吸收和損傷問題，堿金屬激光才可能實現高功率激光輸出。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的發展和相關工程技術的突破，堿金屬激光輸出功率水平將快速提升，并逐漸開始關注光束質量控制、構型優化和工程應用問題。堿金屬激光技術途徑有望實現單孔徑諧振器 MW 級激光輸出，并可實現與光纖激光相媲美的電光效率，遠超現有各技術路線的緊湊輕量型，最終成為一種近乎理想的高能激光器。

--未完待續--

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