二极管泵浦高能激光的研究进展（3）

---转载自尚建力, 王君涛, 彭万敬等人2022年的文章

4高功率绿光激光器

相比于常见高功率块状固体激光和光纤激光 1μm 附近激光波长，相同光束质量的绿光激光在理想情况下到靶功率密度是近红外激光的 4 倍左右，且金属材料对绿光激光的吸收率是波长为 1 μm 附近的近红外激光的数倍，在金属结构目标上将产生更显著的力-热效应。目前高功率绿光激光器一般是利用了 LD 泵浦激光增益介质产生 1 μm附近的近红外激光结合非线性晶体倍频过程获得的。其中倍频方式一般采用内腔倍频、腔外单通倍频、外腔谐振倍频三种方式。

4.1内腔倍频

内腔倍频是将倍频晶体放置在基频光激光器的谐振腔内实现倍频转换，由于腔内基频光功率密度较高，内腔倍频往往可以获得较高的倍频转换效率。

20 世纪 90 年代以来，随着高效高功率的半导体激光技术和新型非线性倍频晶体的迅速发展，绿光激光的功率进一步提升。1998 年，EricC. Honea 等人采用端面泵浦和双调 Q 以及 V 型腔腔内倍频技术，实现了 140 W 的绿光输出[60]。2004 年韩国的 Jonghoon Yi 等人采用 Z 型腔在 398 W泵浦功率下输出 101 W 的绿光，光光效率达到 25.4%[61]。2009年，如图 18 所示，美国相干公司采用可退偏补偿的双 Nd:YAG棒状增益模块串接的稳腔结构和 II 类匹配的 LBO 晶体，获得平均功率 420 W、重复频率为 10 kHz 的绿光输出，其光束质量 M2 因子为 24[62]。

Yb:YAG 薄片激光器由于优越的热管理方式，其输出功率远高于 Nd:YAG 棒状激光器，薄片激光器采用内腔倍频可获得更高的倍频效率和更高功率的绿光激光输出。

2012 年，通快公司在单个 Yb:YAG 薄片模块稳腔中采用内腔倍频方式获得平均功率为 255W、光束质量 M2 因子为1.15 的连续 515 nm 绿光输出，光光效率达到 30%。为进一步提升倍频效率和绿光功率。通快公司采用倒空腔设计将腔内峰值激光功率提升到 MW 级，在 2070 W 泵浦功率条件下，获得大于 700 W 绿光输出，光光效率接近 35%（原理如图 19所示）[63]。

内腔倍频绿光激光器腔内基频光通常为多纵模振荡，这些纵模通过倍频晶体的和频作用发生耦合，同时腔内还存在纵模间的交叉饱和效应。和频和交叉饱和效应使得内腔倍频绿光激光器输出激光功率随着时间发生无规则波动，该波动又被称作“绿光噪声”。同时，内腔倍频激光器谐振腔多采用稳腔，模体积较小，为提升效率多采用多横模输出，其光束质量往往较差。

4.2外腔谐振倍频

不同于内腔倍频和腔外单通倍频，外腔谐振倍频是指在某频激光外部独立设计谐振倍频腔，通过选取合适的倍频腔的耦合和输入镜反射率，并利用压电陶瓷和电学反馈控制系统精确控制其腔长，使得在倍频腔内注入的基频光功率密度由于谐振得到极大增强，并且能多次通过倍频晶体增加倍频次数，提高倍频转换效率。

2010 年，德国汉诺威莱布尼茨大学的 TobiasMeier 等人采用 LBO 晶体，将 1064 激光进行外腔谐振倍频,获得了平均功率为 134 W 的连续单频激光输出，倍频效率高达 90%[64]。2012 年，美国 IPG 公司，采用多级放大光纤激光器获得平均功率 230 W 的单频（约 140 kHz 线宽）1064 nm 激光，耦合进外腔谐振倍频器获得 170 W 绿光输出，倍频效率达到 74%（如图 20 所示）[65]。

显然，外腔谐振倍频极大提升了倍频效率，但是获得获得高功率单频激光难度较大；同时谐振倍频腔对高频振动较敏感，难以用于恶劣环境中。

4.3腔外单通倍频

腔外单通倍频则将倍频晶体置于谐振腔外，基频光单次通过倍频晶体。腔外单通倍频常用于高功率 MOPA 结构激光器中，该方案可有效避免“绿光噪声”。

2000 年，SébastianFavre 等人首次报道了长脉冲体制下的腔外单通倍频，获得了脉宽 200 μs，平均功率 145 W，最高倍频转换效率 17.4% 的倍频绿光输出[66]。2013 年，中国工程物理研究院应用电子学研究所采用端泵浦板条增益模块放大技术，实现了 1.3 J@1 kHz，10 ns 的 1064 nm 窄脉冲激光输出，采用片状晶体倍频技术，获得大于 536 mJ，1 kHz 的 532 nm 激光输出，光束质量（β）为 4.11 倍的衍射极限，结构示意和实验系统如图 21 所示。

近年来，1μm 波长附近的光纤激光器功率显著提升。由于其与生俱来的高效和高光束质量优点，使得利用 1 μm波长附近的光纤激光器倍频来产生高功率绿光成为研究热点。2014 年，美国 IPG 公司采用高重复频率准连续种子源和多级连续光纤放大器，平均功率为 1 kW，重复频率 150 MHz，脉宽约 1.2 ns 的近红外激光输出（脉冲占空比18%），单通通过 LBO 倍频晶体，获得 550 W 绿光输出，倍频效率约为 52%，且绿光依然保持近衍射极限（如图 22所示）[67]。

4.4小结

受限于倍频晶体的平均功率承载能力和高效非线性变换的高峰值功率要求，单台腔内倍频路线仅能实现kW 级输出，且受限于固体激光光谱，难于通过合成实现功率倍增。这一功率水平难以在较远距离作用目标产生强热光效应。但利用光纤激光器较宽的光谱调谐范围，重点突破基频光纤源高重复频率调制和纤内中非线性效应抑制技术、高平均功率激光注入条件下弱吸收倍频晶体相位匹配技术和可见光波段的高效密集光谱合束技术。有希望将单台绿光激光器功率提升至数千瓦级，并通过光谱合成技术实现 100kW 级绿光激光输出。

5超高峰值功率激光

超高峰值功率激光主要有超短脉冲（fs，ps）激光和 ns 级巨脉冲激光两种类型。超短脉冲（fs，ps）激光不同于连续激光作用于目标上的热效应毁伤，超高峰值功率的脉冲激光将产生等离子体喷溅、高效涂层去除、局部空间强电磁脉冲产生等效应。通过该类光源的不断发展和效应研究的不断深入，有望在较远目标上获得更高峰值功率密度，产生等离子体并引起高幅值冲击波等强热力效应。巨脉冲激光的一项重要用途是空间碎片清除，利用高能激光照射空间碎片，使其表面烧蚀而获得反喷速度增量，降低原来轨道高度，最终坠入大气层烧毁；或者利用更高能的激光使空间碎片气化、熔融或分解。

5.1高功率大能量超短脉冲激光

高功率大能量超短脉冲激光通常采用主振荡功率放大（MOPA）方式来实现，并且大能量的超短脉冲激光通常采用再生放大技术或啁啾脉冲放大（CPA）技术来实现。高功率大能量超短脉冲激光主要采用薄片、Inoslab 和单晶光纤等增益介质构型。

2017 年，德国 Nubbemeyer 等人报道了一种基于 Yb:YAG 薄片技术、再生放大技术和啁啾脉冲放大的激光器[68]。基于 Kerr-lens 锁模的薄片振荡器作为种子源，输出单脉冲能量 1.3μJ，脉冲宽度约 350 fs。光栅展宽器将种子光脉冲宽度拓展到 1.5 ns，通过脉冲抽取种子光重复频率降为 5/10 kHz。预放再生放大器将种子光能量从 1 μJ 提高到 1～2 mJ。主放再生放大器由两个口径为 14 mm 厚度约 0.2 mm 的 Yb:YAG 薄片模块组成，环形谐振腔腔长为 15 m，如图 23 所示。放大输出之后经过压缩，获得重复频率 5 kHz 平均功率 1.03 kW 的激光输出，脉冲宽度为 1.08 ps，峰值功率 182 GW，光束质量 M2 为 1.1。

2020 年，德国斯图加特大学的 Roecker 等人报道了平均功率 2kW 的 Yb:YAG 薄片超快激光器[69]。波长 1030 nm，最大平均功率 2050 W，重复频率 300 kHz，单脉冲能量 6.8 mJ，脉冲宽度 7.7 ps，峰值功率 887 MW，光束质量 M2 约1.5。激光器采用 MOPA 结构，种子源加两级放大，光路如图 24 所示。种子源为通快激光的 TruMicro 5000 薄片激光器，输出功率 105 W，重复频率 100 kHz，脉宽 7.5 ps。两级放大器都是基于 Yb:YAG 薄片的 24 通泵浦放大器，实现种子光 2×30 通提取放大。

EdgeWave 公司一直在 Innoslab 激光技术方面保持领先，已经有成熟的超短脉冲激光产品[70]。最新的产品中，1μm 波段的 ps 激光最高输出功率为 600 W，最大脉冲重复频率 100 MHz，最大脉冲能量 2 mJ，脉宽 12 ps，光束质量M2 为 1.1。1 μm 波段的 fs 激光最高输出功率为 600 W，最大脉冲重复频率 50 MHz，最大脉冲能量 3 mJ，脉宽 400 fs，光束质量 M2 为 1.1 。

2018 年，Kuznetsov 等人报道了基于 Yb:YAG 单晶光纤的大能量皮秒激光器[71]。采用 MOPA 结构，光纤激光器作为种子源，预放为 4 通放大的 Yb:YAG 单晶光纤，主放为 4 通放大的 Yb:YAG 单晶光纤，光路示图 25 所示。输出平均功率 28W，在 11.5 kHz 下对应的单脉冲能量 2.4 mJ，压缩后脉冲宽度为 2.8 ps，峰值功率 870 MW。

2020 年，李峰等人报道了基于 Yb:YAG 单晶光纤和体布拉格光栅的紧凑型大能量飞秒激光器[72]。采用 MOPA结构，光纤激光器作为种子源，两个单通放大的 Yb:YAG 单晶光纤串联为放大器，在 200kHz 下实现了平均功率52.2 W，这是目前单通结构的放大系统中最高的功率水平。在 100 kHz 下，单晶光纤将注入的 5 W 平均功率提高到 28.4 W，单脉冲能量 284 μJ，脉冲宽度 858 fs，峰值功率 331 MW。

5.2ns 级巨脉冲激光

巨脉冲光源应具备高达 GW 级的峰值功率和百 J 级的单脉冲能量的输出能力，为实现足够储能、多级提取放大和材料损伤抑制，往往结构复杂，器件尺寸较大，长期主要用于科学实验装置等。近年来，随着人类对外太空日益频繁的航天活动，空间碎片数量剧增，太空环境正在日益恶化，随着空间碎片的主动探测与清除技术研究，利用天基的高峰值功率高能激光清理空间碎片技术相比增阻移除、抓捕移除等方法，被广泛认为更具潜力，但为实现这一应用需求，巨脉冲激光在实现数十 J 以上短脉冲激光输出的同时还需解决系统规模、环境适应性等问题。2001 年，诺斯罗普∙格鲁曼公司基于侧面泵浦的板条激光器 DAPKL[73]，如图 26 所示，其采用三级放大的 MOPA 结合 SBS 的方式，放大级增益介质尺寸 4.5cm×1.5 cm×18 cm，输出光斑尺寸 3 cm×1.4 cm。激光器输出能量 10 J，脉宽7 ns，重复频率 100 Hz，平均功率 1 kW，光束质量 2 倍衍射极限。

2008 年，基于 HALNA（HighAverage-power Laser for Nuclear Fusion Application）单路激光器设计理念，Ryo Yasuhara等人利用 Nd:glass 板条作为主放大器，实现了平均功率 213 W、重复频率 10Hz、脉冲宽度 8.9 ns 的激光输出，输出激光峰值功率约为 2.4 GW[74]。该激光系统主放大器采用的是大面泵浦、液体直接冷却的zigzag 结构 Nd:glass 板条。光束质量控制方面，板条上下边缘采用包边再加电加热器的方式使温度和增益区匹配，使得增益模块获得较平坦的 OPD；另外利用SBS 相位共轭的方式进一步净化光束，提升光束质量，最终光束质量控制在略大于 2 倍的衍射极限。 2017 年，中国科学院光电研究院采用 3 级棒和 3 级板条（尺寸 135mm×35 mm×7 mm）MOPA 结构，实现了 6.6 ns，5.05 J@200 Hz，1.9 倍衍射极限（AO 后）的激光输出[75]。

2007 年，美国 LLNL 等研制的 Mercury 激光系统（如图 27所示）已经实现 61J 输出，重复频率 10 Hz，脉冲宽度（FWHM）约为 14 ns[76]。激光器系统主要由光纤振荡器、三个大模场光纤放大器和两级主放大器组成。主放大器增益介质为片状 Yb:S-FAP，泵浦方向与激光方向重合，增益介质采用亚音速低温 He 气冷却的方式，He 气流动的方向与泵浦光、激光传播方向垂直。系统采用主动光学（41 促动器变形镜及探测系统）对放大激光进行校正，光束质量由大于 7 倍的衍射极限提升到小于 4.5 倍的衍射极限。

2013 年，ThierryGoncalves-Novo 等人报道了 14 J（～8 ns），2 Hz 脉冲激光系统 Lucia（如图 28 所示）。Lucia 的放大器增益介质采用的是激活镜结构的 Yb:YAG[77]。Lucia 的增益模块的泵浦光和接触冷分布在两侧，避免了反射面、冷却面和增益介质泵浦入射面的重合。Lucia 的增益模块的泵浦耦合系统相对比较复杂，在慢轴方向上通过棱镜将光汇聚到增益介质上，在快轴方向上用一对反射镜将泵浦光约束在增益介质范围内。后续工作中，Lucia 团队计划在激光系统后再级联低温冷却的增益模块实现更大能量和更高效率激光输出。

2017 年，英国的 DiPOLE 团队采用光纤种子源、光纤前级放大器、棒状再生放大器、常温片状 Yb:YAG 放大器、低温氦气冷却 Yb：YAG 薄片，5 级放大实现 105J@10 Hz，10 ns 激光输出，光束质量～2 倍衍射极限[78]。

2017 年，清华大学利用 Nd:YAG 分布式激活镜结构（如图 29 所示）实现 10Hz ，10 ns，12.2 J 脉冲能量输出。放大器增益介质侧边采用包边结构，抑制 ASE 和自激振荡，放大光光效率约为 20.6%。这个系统的目标能量为≥50 J[79]。

板条构型的巨脉冲激光器具有光束质量好、体积小等特点，可以实现 5～20J 的能量输出，光束质量较高，但由于较小的板条端面通光口径，随着输出能量的上升和脉宽的缩短，激光的峰值功率会达到 1 GW/cm²，从而对晶体和膜层造成损伤，进一步能量提升受限。片状构型分为激活镜型和堆叠型，激活镜型每片介质具有独立的冷却和泵浦结构，往往系统规模庞大；堆叠型采用阵列式布局，容易获得紧凑型分布，但长程传输吸收的均匀泵浦耦合较为困难。

6结　论

近十年来，二极管泵浦高能固体激光、高功率光纤激光等高能激光光源技术发展迅速。国内外多条板条激光技术路线和浸入式直接冷却激光技术路线均实现了大于 100kW 的单孔径激光输出，数十 kW 级平面波导激光体现出较强的紧凑、轻量化优势，高功率宽谱单纤激光突破 20 kW，高功率窄线宽单纤激光突破 3 kW，多纤共孔径功率合成突破 100 kW。二极管泵浦高能激光技术的不断突破，极大促进了其在先进材料高效精密加工、科学研究、安保、国防等领域的应用。但面向在远距离目标上产生激光强热-力效应的应用需求，传统块状固体激光器，特别是高功率 MOPA 固体激光器还存在着效率偏低、分立元件数量过多、系统复杂、环境适应性提升困难等不足；大孔径谐振腔技术的直接液冷薄片激光、碱金属激光虽然光学系统结构简单，紧凑型和功率定标放大能力优势明显，但其还存在着强多物理场耦合问题，技术困难和工程困难很大等问题；光纤激光虽然单纤输出功率物理层面受限，但其具有高效率、高可靠性等显著优势，可以通过多种复杂的合成技术，实现单孔径高功率高光束质量激光输出。因此，目前阶段，合成的光纤激光、单谐振腔的浸入式激光因其在紧凑型、实用化等方面的优势，成为国内外高能激光技术研究和应用开发的重点方向。与此同时，可见光波段高能激光具有更优异的目标耦合特性，高峰值功率脉冲激光、巨脉冲激光具有与高平均功率激光不同的目标毁伤效应，近年来也得到了迅速的发展。

 

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