---轉(zhuǎn)載自尚建力,王君濤,彭萬敬等人2022年的文章

4高功率綠光激光器

相比于常見高功率塊狀固體激光和光纖激光 1μm 附近激光波長，相同光束質(zhì)量的綠光激光在理想情況下到靶功率密度是近紅外激光的 4 倍左右，且金屬材料對綠光激光的吸收率是波長為 1μm 附近的近紅外激光的數(shù)倍，在金屬結(jié)構(gòu)目標(biāo)上將產(chǎn)生更顯著的力-熱效應(yīng)。目前高功率綠光激光器一般是利用了 LD 泵浦激光增益介質(zhì)產(chǎn)生 1μm附近的近紅外激光結(jié)合非線性晶體倍頻過程獲得的。其中倍頻方式一般采用內(nèi)腔倍頻、腔外單通倍頻、外腔諧振倍頻三種方式。

4.1內(nèi)腔倍頻

內(nèi)腔倍頻是將倍頻晶體放置在基頻光激光器的諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換，由于腔內(nèi)基頻光功率密度較高，內(nèi)腔倍頻往往可以獲得較高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。

20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著高效高功率的半導(dǎo)體激光技術(shù)和新型非線性倍頻晶體的迅速發(fā)展，綠光激光的功率進(jìn)一步提升。1998 年，EricC.Honea 等人采用端面泵浦和雙調(diào) Q 以及 V 型腔腔內(nèi)倍頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 140W 的綠光輸出[60]。2004 年韓國的 JonghoonYi 等人采用 Z 型腔在 398W泵浦功率下輸出 101W 的綠光，光光效率達(dá)到 25.4%[61]。2009年，如圖 18 所示，美國相干公司采用可退偏補(bǔ)償?shù)碾p Nd:YAG棒狀增益模塊串接的穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)和 II 類匹配的 LBO 晶體，獲得平均功率 420W、重復(fù)頻率為 10kHz 的綠光輸出，其光束質(zhì)量 M2 因子為 24[62]。

Yb:YAG 薄片激光器由于優(yōu)越的熱管理方式，其輸出功率遠(yuǎn)高于 Nd:YAG 棒狀激光器，薄片激光器采用內(nèi)腔倍頻可獲得更高的倍頻效率和更高功率的綠光激光輸出。

2012 年，通快公司在單個 Yb:YAG 薄片模塊穩(wěn)腔中采用內(nèi)腔倍頻方式獲得平均功率為 255W、光束質(zhì)量 M2 因子為1.15 的連續(xù) 515nm 綠光輸出，光光效率達(dá)到 30%。為進(jìn)一步提升倍頻效率和綠光功率。通快公司采用倒空腔設(shè)計將腔內(nèi)峰值激光功率提升到 MW 級，在 2070W 泵浦功率條件下，獲得大于 700W 綠光輸出，光光效率接近 35%（原理如圖 19所示）[63]。

內(nèi)腔倍頻綠光激光器腔內(nèi)基頻光通常為多縱模振蕩，這些縱模通過倍頻晶體的和頻作用發(fā)生耦合，同時腔內(nèi)還存在縱模間的交叉飽和效應(yīng)。和頻和交叉飽和效應(yīng)使得內(nèi)腔倍頻綠光激光器輸出激光功率隨著時間發(fā)生無規(guī)則波動，該波動又被稱作“綠光噪聲”。同時，內(nèi)腔倍頻激光器諧振腔多采用穩(wěn)腔，模體積較小，為提升效率多采用多橫模輸出，其光束質(zhì)量往往較差。

4.2外腔諧振倍頻

不同于內(nèi)腔倍頻和腔外單通倍頻，外腔諧振倍頻是指在某頻激光外部獨(dú)立設(shè)計諧振倍頻腔，通過選取合適的倍頻腔的耦合和輸入鏡反射率，并利用壓電陶瓷和電學(xué)反饋控制系統(tǒng)精確控制其腔長，使得在倍頻腔內(nèi)注入的基頻光功率密度由于諧振得到極大增強(qiáng)，并且能多次通過倍頻晶體增加倍頻次數(shù)，提高倍頻轉(zhuǎn)換效率。

2010 年，德國漢諾威萊布尼茨大學(xué)的 TobiasMeier 等人采用 LBO 晶體，將 1064 激光進(jìn)行外腔諧振倍頻,獲得了平均功率為 134W 的連續(xù)單頻激光輸出，倍頻效率高達(dá) 90%[64]。2012 年，美國 IPG 公司，采用多級放大光纖激光器獲得平均功率 230W 的單頻（約 140kHz 線寬）1064nm 激光，耦合進(jìn)外腔諧振倍頻器獲得 170W 綠光輸出，倍頻效率達(dá)到 74%（如圖 20 所示）[65]。

顯然，外腔諧振倍頻極大提升了倍頻效率，但是獲得獲得高功率單頻激光難度較大；同時諧振倍頻腔對高頻振動較敏感，難以用于惡劣環(huán)境中。

4.3腔外單通倍頻

腔外單通倍頻則將倍頻晶體置于諧振腔外，基頻光單次通過倍頻晶體。腔外單通倍頻常用于高功率 MOPA 結(jié)構(gòu)激光器中，該方案可有效避免“綠光噪聲”。

2000 年，SébastianFavre 等人首次報道了長脈沖體制下的腔外單通倍頻，獲得了脈寬 200μs，平均功率 145W，最高倍頻轉(zhuǎn)換效率 17.4% 的倍頻綠光輸出[66]。2013 年，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所采用端泵浦板條增益模塊放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 1.3J@1kHz，10ns 的 1064nm 窄脈沖激光輸出，采用片狀晶體倍頻技術(shù)，獲得大于 536mJ，1kHz 的 532nm 激光輸出，光束質(zhì)量（β）為 4.11 倍的衍射極限，結(jié)構(gòu)示意和實(shí)驗系統(tǒng)如圖 21 所示。

近年來，1μm 波長附近的光纖激光器功率顯著提升。由于其與生俱來的高效和高光束質(zhì)量優(yōu)點(diǎn)，使得利用 1μm波長附近的光纖激光器倍頻來產(chǎn)生高功率綠光成為研究熱點(diǎn)。2014 年，美國 IPG 公司采用高重復(fù)頻率準(zhǔn)連續(xù)種子源和多級連續(xù)光纖放大器，平均功率為 1kW，重復(fù)頻率 150MHz，脈寬約 1.2ns 的近紅外激光輸出（脈沖占空比18%），單通通過 LBO 倍頻晶體，獲得 550W 綠光輸出，倍頻效率約為 52%，且綠光依然保持近衍射極限（如圖 22所示）[67]。

4.4小結(jié)

受限于倍頻晶體的平均功率承載能力和高效非線性變換的高峰值功率要求，單臺腔內(nèi)倍頻路線僅能實(shí)現(xiàn)kW 級輸出，且受限于固體激光光譜，難于通過合成實(shí)現(xiàn)功率倍增。這一功率水平難以在較遠(yuǎn)距離作用目標(biāo)產(chǎn)生強(qiáng)熱光效應(yīng)。但利用光纖激光器較寬的光譜調(diào)諧范圍，重點(diǎn)突破基頻光纖源高重復(fù)頻率調(diào)制和纖內(nèi)中非線性效應(yīng)抑制技術(shù)、高平均功率激光注入條件下弱吸收倍頻晶體相位匹配技術(shù)和可見光波段的高效密集光譜合束技術(shù)。有希望將單臺綠光激光器功率提升至數(shù)千瓦級，并通過光譜合成技術(shù)實(shí)現(xiàn) 100kW 級綠光激光輸出。

5超高峰值功率激光

超高峰值功率激光主要有超短脈沖（fs，ps）激光和 ns 級巨脈沖激光兩種類型。超短脈沖（fs，ps）激光不同于連續(xù)激光作用于目標(biāo)上的熱效應(yīng)毀傷，超高峰值功率的脈沖激光將產(chǎn)生等離子體噴濺、高效涂層去除、局部空間強(qiáng)電磁脈沖產(chǎn)生等效應(yīng)。通過該類光源的不斷發(fā)展和效應(yīng)研究的不斷深入，有望在較遠(yuǎn)目標(biāo)上獲得更高峰值功率密度，產(chǎn)生等離子體并引起高幅值沖擊波等強(qiáng)熱力效應(yīng)。巨脈沖激光的一項重要用途是空間碎片清除，利用高能激光照射空間碎片，使其表面燒蝕而獲得反噴速度增量，降低原來軌道高度，最終墜入大氣層燒毀；或者利用更高能的激光使空間碎片氣化、熔融或分解。

5.1高功率大能量超短脈沖激光

高功率大能量超短脈沖激光通常采用主振蕩功率放大（MOPA）方式來實(shí)現(xiàn)，并且大能量的超短脈沖激光通常采用再生放大技術(shù)或啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。高功率大能量超短脈沖激光主要采用薄片、Inoslab 和單晶光纖等增益介質(zhì)構(gòu)型。

2017 年，德國 Nubbemeyer 等人報道了一種基于 Yb:YAG 薄片技術(shù)、再生放大技術(shù)和啁啾脈沖放大的激光器[68]。基于 Kerr-lens 鎖模的薄片振蕩器作為種子源，輸出單脈沖能量 1.3μJ，脈沖寬度約 350fs。光柵展寬器將種子光脈沖寬度拓展到 1.5ns，通過脈沖抽取種子光重復(fù)頻率降為 5/10kHz。預(yù)放再生放大器將種子光能量從 1μJ 提高到 1～2mJ。主放再生放大器由兩個口徑為 14mm 厚度約 0.2mm 的 Yb:YAG 薄片模塊組成，環(huán)形諧振腔腔長為 15m，如圖 23 所示。放大輸出之后經(jīng)過壓縮，獲得重復(fù)頻率 5kHz 平均功率 1.03kW 的激光輸出，脈沖寬度為 1.08ps，峰值功率 182GW，光束質(zhì)量 M2 為 1.1。

2020 年，德國斯圖加特大學(xué)的 Roecker 等人報道了平均功率 2kW 的 Yb:YAG 薄片超快激光器[69]。波長 1030nm，最大平均功率 2050W，重復(fù)頻率 300kHz，單脈沖能量 6.8mJ，脈沖寬度 7.7ps，峰值功率 887MW，光束質(zhì)量 M2約1.5。激光器采用 MOPA 結(jié)構(gòu)，種子源加兩級放大，光路如圖 24 所示。種子源為通快激光的 TruMicro5000 薄片激光器，輸出功率 105W，重復(fù)頻率 100kHz，脈寬 7.5ps。兩級放大器都是基于 Yb:YAG 薄片的 24 通泵浦放大器，實(shí)現(xiàn)種子光 2×30 通提取放大。

EdgeWave 公司一直在 Innoslab 激光技術(shù)方面保持領(lǐng)先，已經(jīng)有成熟的超短脈沖激光產(chǎn)品[70]。最新的產(chǎn)品中，1μm 波段的 ps 激光最高輸出功率為 600W，最大脈沖重復(fù)頻率 100MHz，最大脈沖能量 2mJ，脈寬 12ps，光束質(zhì)量M2為 1.1。1μm 波段的 fs 激光最高輸出功率為 600W，最大脈沖重復(fù)頻率 50MHz，最大脈沖能量 3mJ，脈寬 400fs，光束質(zhì)量 M2為 1.1。

2018 年，Kuznetsov 等人報道了基于 Yb:YAG 單晶光纖的大能量皮秒激光器[71]。采用 MOPA 結(jié)構(gòu)，光纖激光器作為種子源，預(yù)放為 4 通放大的 Yb:YAG 單晶光纖，主放為 4 通放大的 Yb:YAG 單晶光纖，光路示圖 25 所示。輸出平均功率 28W，在 11.5kHz 下對應(yīng)的單脈沖能量 2.4mJ，壓縮后脈沖寬度為 2.8ps，峰值功率 870MW。

2020 年，李峰等人報道了基于 Yb:YAG 單晶光纖和體布拉格光柵的緊湊型大能量飛秒激光器[72]。采用 MOPA結(jié)構(gòu)，光纖激光器作為種子源，兩個單通放大的 Yb:YAG 單晶光纖串聯(lián)為放大器，在 200kHz 下實(shí)現(xiàn)了平均功率52.2W，這是目前單通結(jié)構(gòu)的放大系統(tǒng)中最高的功率水平。在 100kHz 下，單晶光纖將注入的 5W 平均功率提高到 28.4W，單脈沖能量 284μJ，脈沖寬度 858fs，峰值功率 331MW。

5.2ns 級巨脈沖激光

巨脈沖光源應(yīng)具備高達(dá) GW 級的峰值功率和百 J 級的單脈沖能量的輸出能力，為實(shí)現(xiàn)足夠儲能、多級提取放大和材料損傷抑制，往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件尺寸較大，長期主要用于科學(xué)實(shí)驗裝置等。近年來，隨著人類對外太空日益頻繁的航天活動，空間碎片數(shù)量劇增，太空環(huán)境正在日益惡化，隨著空間碎片的主動探測與清除技術(shù)研究，利用天基的高峰值功率高能激光清理空間碎片技術(shù)相比增阻移除、抓捕移除等方法，被廣泛認(rèn)為更具潛力，但為實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用需求，巨脈沖激光在實(shí)現(xiàn)數(shù)十 J 以上短脈沖激光輸出的同時還需解決系統(tǒng)規(guī)模、環(huán)境適應(yīng)性等問題。2001 年，諾斯羅普?格魯曼公司基于側(cè)面泵浦的板條激光器 DAPKL[73]，如圖 26 所示，其采用三級放大的 MOPA 結(jié)合 SBS 的方式，放大級增益介質(zhì)尺寸 4.5cm×1.5cm×18cm，輸出光斑尺寸 3cm×1.4cm。激光器輸出能量 10J，脈寬7ns，重復(fù)頻率 100Hz，平均功率 1kW，光束質(zhì)量 2 倍衍射極限。

2008 年，基于 HALNA（HighAverage-powerLaserforNuclearFusionApplication）單路激光器設(shè)計理念，RyoYasuhara等人利用 Nd:glass 板條作為主放大器，實(shí)現(xiàn)了平均功率 213W、重復(fù)頻率 10Hz、脈沖寬度 8.9ns 的激光輸出，輸出激光峰值功率約為 2.4GW[74]。該激光系統(tǒng)主放大器采用的是大面泵浦、液體直接冷卻的zigzag 結(jié)構(gòu) Nd:glass 板條。光束質(zhì)量控制方面，板條上下邊緣采用包邊再加電加熱器的方式使溫度和增益區(qū)匹配，使得增益模塊獲得較平坦的 OPD；另外利用SBS 相位共軛的方式進(jìn)一步凈化光束，提升光束質(zhì)量，最終光束質(zhì)量控制在略大于 2 倍的衍射極限。 2017 年，中國科學(xué)院光電研究院采用 3 級棒和 3 級板條（尺寸 135mm×35mm×7mm）MOPA 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 6.6ns，5.05J@200Hz，1.9 倍衍射極限（AO 后）的激光輸出[75]。

2007 年，美國 LLNL 等研制的 Mercury 激光系統(tǒng)（如圖 27所示）已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 61J 輸出，重復(fù)頻率 10Hz，脈沖寬度（FWHM）約為 14ns[76]。激光器系統(tǒng)主要由光纖振蕩器、三個大模場光纖放大器和兩級主放大器組成。主放大器增益介質(zhì)為片狀 Yb:S-FAP，泵浦方向與激光方向重合，增益介質(zhì)采用亞音速低溫 He 氣冷卻的方式，He 氣流動的方向與泵浦光、激光傳播方向垂直。系統(tǒng)采用主動光學(xué)（41 促動器變形鏡及探測系統(tǒng)）對放大激光進(jìn)行校正，光束質(zhì)量由大于 7 倍的衍射極限提升到小于 4.5 倍的衍射極限。

2013 年，ThierryGoncalves-Novo 等人報道了 14J（～8ns），2Hz 脈沖激光系統(tǒng) Lucia（如圖 28 所示）。Lucia 的放大器增益介質(zhì)采用的是激活鏡結(jié)構(gòu)的 Yb:YAG[77]。Lucia 的增益模塊的泵浦光和接觸冷分布在兩側(cè)，避免了反射面、冷卻面和增益介質(zhì)泵浦入射面的重合。Lucia 的增益模塊的泵浦耦合系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，在慢軸方向上通過棱鏡將光匯聚到增益介質(zhì)上，在快軸方向上用一對反射鏡將泵浦光約束在增益介質(zhì)范圍內(nèi)。后續(xù)工作中，Lucia 團(tuán)隊計劃在激光系統(tǒng)后再級聯(lián)低溫冷卻的增益模塊實(shí)現(xiàn)更大能量和更高效率激光輸出。

2017 年，英國的 DiPOLE 團(tuán)隊采用光纖種子源、光纖前級放大器、棒狀再生放大器、常溫片狀 Yb:YAG 放大器、低溫氦氣冷卻 Yb：YAG 薄片，5 級放大實(shí)現(xiàn) 105J@10Hz，10ns 激光輸出，光束質(zhì)量～2 倍衍射極限[78]。

2017 年，清華大學(xué)利用 Nd:YAG 分布式激活鏡結(jié)構(gòu)（如圖 29 所示）實(shí)現(xiàn) 10Hz，10ns，12.2J 脈沖能量輸出。放大器增益介質(zhì)側(cè)邊采用包邊結(jié)構(gòu)，抑制 ASE 和自激振蕩，放大光光效率約為 20.6%。這個系統(tǒng)的目標(biāo)能量為≥50J[79]。

板條構(gòu)型的巨脈沖激光器具有光束質(zhì)量好、體積小等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn) 5～20J 的能量輸出，光束質(zhì)量較高，但由于較小的板條端面通光口徑，隨著輸出能量的上升和脈寬的縮短，激光的峰值功率會達(dá)到 1GW/cm2，從而對晶體和膜層造成損傷，進(jìn)一步能量提升受限。片狀構(gòu)型分為激活鏡型和堆疊型，激活鏡型每片介質(zhì)具有獨(dú)立的冷卻和泵浦結(jié)構(gòu)，往往系統(tǒng)規(guī)模龐大；堆疊型采用陣列式布局，容易獲得緊湊型分布，但長程傳輸吸收的均勻泵浦耦合較為困難。

6結(jié)論

近十年來，二極管泵浦高能固體激光、高功率光纖激光等高能激光光源技術(shù)發(fā)展迅速。國內(nèi)外多條板條激光技術(shù)路線和浸入式直接冷卻激光技術(shù)路線均實(shí)現(xiàn)了大于 100kW 的單孔徑激光輸出，數(shù)十 kW 級平面波導(dǎo)激光體現(xiàn)出較強(qiáng)的緊湊、輕量化優(yōu)勢，高功率寬譜單纖激光突破 20kW，高功率窄線寬單纖激光突破 3kW，多纖共孔徑功率合成突破 100kW。二極管泵浦高能激光技術(shù)的不斷突破，極大促進(jìn)了其在先進(jìn)材料高效精密加工、科學(xué)研究、安保、國防等領(lǐng)域的應(yīng)用。但面向在遠(yuǎn)距離目標(biāo)上產(chǎn)生激光強(qiáng)熱-力效應(yīng)的應(yīng)用需求，傳統(tǒng)塊狀固體激光器，特別是高功率 MOPA 固體激光器還存在著效率偏低、分立元件數(shù)量過多、系統(tǒng)復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性提升困難等不足；大孔徑諧振腔技術(shù)的直接液冷薄片激光、堿金屬激光雖然光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，緊湊型和功率定標(biāo)放大能力優(yōu)勢明顯，但其還存在著強(qiáng)多物理場耦合問題，技術(shù)困難和工程困難很大等問題；光纖激光雖然單纖輸出功率物理層面受限，但其具有高效率、高可靠性等顯著優(yōu)勢，可以通過多種復(fù)雜的合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單孔徑高功率高光束質(zhì)量激光輸出。因此，目前階段，合成的光纖激光、單諧振腔的浸入式激光因其在緊湊型、實(shí)用化等方面的優(yōu)勢，成為國內(nèi)外高能激光技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)的重點(diǎn)方向。與此同時，可見光波段高能激光具有更優(yōu)異的目標(biāo)耦合特性，高峰值功率脈沖激光、巨脈沖激光具有與高平均功率激光不同的目標(biāo)毀傷效應(yīng)，近年來也得到了迅速的發(fā)展。

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