二极管泵浦高能激光的研究进展（1）

----转载自尚建力, 王君涛, 彭万敬等人2022年的文章

摘要：高能激光广泛应用于材料加工、科学研究、空间碎片清除、军事应用等领域。二极管泵浦高能激光具有结构紧凑，系统简单、全电驱无限弹仓的特点，近年来，各类二极管泵浦高能激光围绕着同时实现高功率、高效率、高光束质量这一总目标发展迅速。详细综述了国内外高平均功率块状固体激光、高功率可见光波段激光、高峰值功率激光、高功率光纤激光、碱金属蒸气激光等二极管泵浦高能激光的研究进展，并对其发展趋势进行了展望。

高能激光广泛应用于材料加工、科学研究、军事应用等领域。现有研究主要集中在通过提升激光器功率、光束质量提升材料加工和目标毁伤效率；提升短脉冲能量，利用巨脉冲实现空间碎片高效清除；开展频率变换，利用短波长实现材料的高效吸收；获得超短脉冲超高峰值功率实现硬脆材料的高端精密加工等方面。这些应用的实现机理均是利用激光与物质相互作用中的各种力-热效应，影响上述应用效果的因素主要即源自不同参数（体制、波长、功率/能量密度）激光与物质相互作用中力热效应的差异。具体的，这一效应特征涉及激光波长范围从红外到真空紫外波段，时间结构包括连续、重复频率和脉冲（准连续及单脉冲），作用时间从亚 ns 至数 h，靶面上激光功率密度的范围为 10−6～1020 W/cm2。不同功率密度的激光辐照靶体，会引起加热、熔融、升华和电离等不同的热致效应，以及热应力与热冲击等静、动力学效应。一般来说，较低功率密度(104 W/cm2 以下) 的激光会引起靶材局部加热、热应力乃至熔融等热效应和热力耦合效应；中等功率密度 (104～107 W/cm2) 的激光辐照下，靶材以熔融、烧蚀、气化等相变行为及其诱导的力学效应为主；激光功率密度在 107 W/cm2 以上，会诱导靶材生成等离子体并引起高幅值冲击波，激光辐照主要表现为冲击效应，在靶材很薄的区域中可能发生层裂形式的动力学破坏[1-2]。因此，研制不同波长、不同体制激光以实现不同的激光与物质相互作用的力热效应，对于高能激光各种应用发展具有重要意义。 二极管泵浦高能激光具备系统简单、结构紧凑、维护方便、全电驱无限弹仓的同时，具备同时实现高功率、高效率、高光束质量（简称“三高”）的潜力。在相关科学研究的带动以及相关应用实用化需求牵引下，二极管泵浦高能激光的发展始终围绕着这一“三高”目标开展。近年来，基于不同构型、不同体制的二极管泵浦高能激光技术研究取得快速发展，各类激光器性能水平得到了较大提升，也较大地促进了高能激光在材料加工、空间碎片清除、科学研究、安保、国防等领域的应用研究。本文重点介绍了近年来国内外高平均功率块状固体激光、高平均功率光纤激光、高功率可见光波段激光、高峰值功率激光、碱金属蒸气激光等二极管泵浦高能激光的研究进展，并对其发展趋势进行了展望。

1二极管泵浦的高平均功率块状固体激光

1.1板条激光

板条激光器采用片状结构增益介质，激光激射在增益介质长度方向，而散热在增益介质厚度方向，由此实现高功率、高能量连续或脉冲激光输出，光束质量优良。2009 年，美国诺斯罗普∙格鲁曼公司发布了 7 路传导冷却端面泵浦板条 （CCEPS）相干合成激光输出的实验结果（系统如图 1 所示）：输出功率为 105.5 kW，光束质量 BQ 因子小于 3 [3-4]。这一实验成为高亮度固体激光器发展的里程碑。面向高功率激光输出的板条激光包括大面泵浦和端面泵浦两种构型，国内多家研究单位两种均先后基于 Nd:YAG 和 Yb:YAG 材料实现了 10 kW 级到数十 kW 级的单孔径激光输出。

2014 年中国科学院理化研究所采用 LD 大面泵浦双面水冷板条结构（如图 2 所示），板条材质为 Nd:YAG，在泵浦激光平均功率 9.98kW、重复频率 400 Hz、脉宽 200 μs 下，通过稳腔获得输出平均功率 4.3 kW，光光效率 43.6%[5]。2019 年，中国科学院理化研究所采用 Yb:YAG 板条作为增益介质，采用大面泵浦低温冷却方式，获得平均功率 60 kW，数百 μs 脉宽的 QCW 激光输出[6]。

大面泵浦板条激光器泵浦面面积大，可耦合的泵浦能量高，已实现数十 kW 激光输出，但由于大面泵浦方式中泵浦面和冷却面重合，因此需要采用全透明的非焊接液体直接冷却。另外因泵浦面积大，功率密度较低，吸收长度短，常温下如果板条增益介质采用 Yb:YAG 等准三能级材料则需要提高掺杂浓度来提高吸收效率，然而高掺杂浓度使得透明阈值相应提高，无法实现高功率输出。而采用低温冷却技术路线虽然提升了 Yb 材料吸收，并实现四能级高效率运转，但给工程应用带来难以解决的技术困难。端面泵浦的板条激光构型如图 3 所示。增益介质直接与铜冷却器焊接，热传导系数大幅提升，加快了散热速度，泵浦光经过整形匀化后从端面注入在材料内长程传输吸收。 在诺斯罗普格鲁曼公司板条激光率先实现单链路 10kW以上输出后，国内相关单位也陆续报道了使用端泵浦板条结构获得高平均功率激光输出的结果。2010 年，华北光电技术研究所采用 2.5 W 基模种子源经整形后先后经过预放、4 个功率放大模块和光束净化后获得功率为 11 kW，光束质量为4.8 的激光输出[7]。2011 年，中国工程物理研究院应用电子学研究所报道了一套采用 4 个端泵浦 Nd 板条激光增益模块串接MOPA 放大的激光器（如图 4 所示），实现输出功率为 11.3kW，光束质量为 7.56 倍衍射极限[8]。

因端泵浦板条结构能有效减小泵浦口径，实现高亮度泵浦，较为适合准三能级 Yb 介质激光输出。端泵浦板条的泵浦面一般不到 2cm2，随着单个 Bar 条输出功率提升到 200 W，通过优化耦合系统，可较为容易实现板条的泵浦亮度 50 kW/cm2以上，因此理论上采用 940 nm 泵浦 Yb:YAG 材料可以获得较高的输出功率和斜效率。2017 年，中国工程物理研究院李密等在优化板条增益模块和放大链路的基础上实现单个板条7 kW 连续激光输出[9]。2018 年，中国工程物理研究院徐浏等通过优化设计泵浦耦合系统，在 Yb 增益介质边缘采用精细化处理技术，在提升板条负载能力的同时降低了宽度方向上的波前畸变。实现连续激光功率 11.9 kW、光束质量 β 优于 9.1 的激光输出。利用主动光学校正系统，光束质量提升至 β=2.8，但激光器光光效率仅为 23%，单模块效率为 25%[10]。同年中国工程物理研究院汪丹等通过非球面泵浦耦合技术，进一步优化增益介质表面处理技术，降低激光链路的像差和损耗，大幅增加泵浦亮度和 Yb 板条的负载能力，实现功率大于 22 kW、全链路光光效率优于 30% 的高质量激光输出（β 优于 3.3），光光效率从 25% 提升至 36%[11]。

随着 Yb 板条输出功率增加，端面泵浦板条构型缺陷正逐渐显现，限制了单模块功率、效率进一步增加。（1）因端面泵浦结构增益介质耦合区域较小，需采用较为复杂的耦合系统对泵浦光进行较大比例的压缩，泵浦耦合效率不高，限制了泵浦功率总量提升。（2）斜面反射的耦合方式使得板条端头不能有效冷却，端头热效应与损伤阈值限制了泵浦功率的提升。（3）为提升输出功率，扩大板条增益介质尺寸，板条内部的荧光强度因增益路径更长而非线性增加，增益介质边缘和各个界面的荧光吸收产热导致的波前畸变，不断恶化输出光束质量。

1.2平面波导激光

平面波导激光结合了板条激光和光纤激光的优势，采用 YAG-Re:YAG-YAG 三明治键合结构激光增益介质（如图 5 所示），是增益光纤和板条激光增益介质的中间状态。宽度方向上为数十 mm 级常规尺寸自由空间，厚度方向上为波导结构。波导结构的芯层为掺杂区，包层为折射率较低的非掺杂区域。平面波导结构激光增益介质只产生一维的热流方向和热梯度，可以更有效地抑制热效应。

2008 年，美国 Raytheon 公司采用 Yb:YAG 双包层平面波导作为增益介质导实现了功率为 16.1kW 的激光输出，电光效率 20%，引起了国际上的广泛关注[12]。在 RELI 计划的支持下，2014 年，Raytheon 开展了单个平面波导放大器上输出 30 kW 激光的研究[13]。采用 200 W 的光纤激光器作为种子源，希望通过平面波导获得 30 kW 的激光输出，并且通过自适应光学提高其光束质量。Raytheon 给出了 30 kW 激光器概念设计如图 5 所示，预计其体积小于0.4 m3，重量小于 200 kg，功率体积比为 75 kW/m3，功率重量比为 150 W/kg，明显优于目前的其他所有介质构型的激光器。

2017 年，中国工程物理研究院应用电子学研究所采用 MOPA 结构和端面抽运 Nd:YAG 平面波导方式，获得了最高功率 1.5kW 的连续激光放大输出，光光效率达到 49%；2019 年，采用 MOPA 结构和端面抽运 Yb:YAG 平面波导方式，获得了最高功率 12 kW 的连续激光放大输出，电光效率达到 30%；2021 年，完成了 10 kW 平面波导激光样机，如图 6 所示，光束质量 β＜3，电光效率大于 30%，功率质量比达到 107 W/kg，功率体积比 82 kW/m3。通过增大材料尺寸和泵浦功率，在单块材料上实现更高功率输出，功率质量比和功率体积比将会进一步大幅提升。

1.3薄片激光

薄片激光器的增益介质为片状结构，通常其厚度为亚 mm 级，热流方向和激光传输方向平行，且散热路径短、通光孔径大，可实现高功率、高能量的连续或脉冲激光输出。其利用既有空间折叠-成像的多通泵浦机构，实现厚度方向上的高效泵浦吸收，这种泵浦方法最早由德国斯图加特大学 Giesen 团队提出，很快由德国通快等公司应用形成了最高数十 kW 的工业用高功率薄片激光器[14]。2012 年，美国波音公司基于该技术，串接多个碟片构成谐振器获得了功率为 30kW 的激光输出，电光效率大于 30%；主要技术指标达到了耐用电子激光器倡议（RELI）第一阶段要求，如图 7 所示，后续开展 50～100 kW 激光器系统研制[15]。但在单孔谐振腔中，多个反射型薄片引入的波前畸变会导致难于校正的像差叠加和演化，更高功率水平激光器光束质量难于控制。

1.4直接液冷浸入式激光

浸入式激光技术架构上采用了直接冷却片状介质构型和分布式增益设计；在模块的功率定标放大中采用了“透射式串联”方式，使薄片介质无需焊接在热沉上，不会引入焊接形变；采用侧面泵浦实现泵浦、激光、流场的正交分布，进一步减少了激光器体积的同时保证了系统的功率定标放大能力。

2003 年，美国防部国防高级研究计划局（DARPA）计划资助“高能液体激光区域防御系统”（HELLADS），旨在利用紧凑型激光器发展机载战术自防御系统。在 HELLADS 支持下，达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体冷却的方式[16]。如图 8 所示，达信公司采用稀土掺杂陶瓷板条的 Thin-Zag 方式，板条浸泡于流动的冷却液中，单口径实现了 100kW 的激光输出，但由于湍流体扰动和热不稳定性的影响，未能有效实现像差补偿而导致光束质量较差[17]。2015 年，通用原子公司研制的直接液冷固体激光器，将数百片增益介质以阵列式的堆叠方式浸泡于特种激光冷却液中（如图 9 所示），采用大模体积非稳腔方式输出了 150kW，其技术方案结合了固体激光器的高储能密度和液体激光器的流动热管理技术。相较于其他激光光源，通用原子的浸入式激光器功率体积比、功率重量比都具有十分明显的优势（见表 1）。2021 年 11 月，美国陆军与通用原子公司、波音公司签订了 300 kW直接液冷激光武器系统的研制合同。拟采用两个第 7 代分布式增益模块，将输出功率由 100 kW 定标放大至 300 kW激光，实现免合成、光束质量与光纤激光媲美、更紧凑的高能激光方案[18]。

在国内，中国科学院西安光学精密机械研究所曾于 2014 年报道了其使用 CCl4 冷却 Nd:YAG 薄片的浸入式固体激光器实验结果，获得了 653mJ 的单脉冲输出，光光效率为 30%[19]。清华大学在分析了层流和湍流对激光器输出功率和光束质量的影响基础上，采用重水直接冷却端泵多板条增益介质，实现了 3006 W 激光输出[20]；同时分析了该方式实现 30 kW 的可能性，但评估其光束质量只是水平方向的 M2 为 50 和垂直水平方向的 M2 为 10[21]。中国工程物理研究院团队于 2016 年采用折射率匹配液作为冷却液直接冷却 Nd:YLF 增益介质，采用连续工作模式，实现了稳腔单模块输出功率大于 1 kW[22]；2016 年，采用重水冷却液，以 20 片 Nd:YAG 薄片作为增益介质，实现了稳腔大于 7 kW 的激光输出[23]；2018 年，基于重水冷却液方案，采用 40 片增益介质，实现了非稳腔双模块大于 9 kW 激光输出[24]。

1.5小结

目前，板条激光器、浸入式液冷激光器等技术路线均实现了 100kW 级激光输出，数十 kW 级的平面波导激光在小型轻量化方面更具优势。但这些方案或者分立元件多、或者需要工作于低温环境、或者增益模块热、力、流、光强耦合系统复杂、或者增益介质制备困难。且目前 100 kW 级功率水平距离高效应用需求仍有差距，往往需要采用合成等方式实现功率提升，这进一步提升了系统的复杂性。

针对这一问题，国内外多家研究机构着力于更大尺寸的复杂构型增益介质制备、块状固体激光器构型创新、高功率密度泵浦光场分布控制技术、高热流密度传导冷却技术和波前调控技术的研究。这些研究虽然使得该型激光器技术指标能有进一步提升。但基于低导热率 YAG 基块状材料的热问题决定的效率问题（因泵浦光、信号光亮度不足）、波前畸变问题和单孔径功率受限问题，以及这类激光器复杂的工程化问题，都给其形成装备提出严峻的挑战。

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