進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，固體激光器輸出功率由10 kW到100 kW不斷獲得突破，這時(shí)高效散熱和主動(dòng)光束質(zhì)量控制已成為固體激光器提高性能、繼續(xù)發(fā)展的主要攻關(guān)方向。相應(yīng)的改進(jìn)和創(chuàng)新主要是在增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化和冷卻方式的改變上。諸如熱容激光器、具有大表面積體積比的光纖激光器、薄片激光器及板條激光器等多種激光器得到了深入研究。
目前熱容固體激光技術(shù)的發(fā)展陷入停滯，光纖激光技術(shù)吸引的研發(fā)力量最多；端面抽運(yùn)傳導(dǎo)冷卻板條激光技術(shù)、ThinZag浸入式板條激光技術(shù)、液冷薄片激光技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了100 kW以上激光輸出，進(jìn)一步地發(fā)展需要克服各自的短板；傳導(dǎo)冷卻薄片以及平面波導(dǎo)激光技術(shù)均展示了高效高功率輸出的發(fā)展?jié)摿?，有望近期取得突破。下面介紹下幾種固體激光技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
熱容激光器技術(shù)
Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2001年，成功演示了閃光燈抽運(yùn)的10 kW級(jí)熱容激光器，實(shí)際輸出平均功率13 kW，光束質(zhì)量?jī)?yōu)于5倍衍射極限。次年采用單片Nd:GGG增益介質(zhì)，四片二極管激光面陣抽運(yùn)，獲得2.7 kW輸出。2006年，進(jìn)而采用五片陶瓷Nd:YAG增益介質(zhì)，輸出達(dá)到了67 kW。但是由于未能有效解決輸出光束質(zhì)量的問題，并且輸出激光的時(shí)間過(guò)短，在與板條激光技術(shù)方案的競(jìng)爭(zhēng)中處于下風(fēng)。
因?yàn)槌檫\(yùn)不均勻熱容激光器的光束質(zhì)量隨著出光時(shí)間迅速退化，難以符合實(shí)用要求。因此，熱容激光器雖然具有定標(biāo)放大至100 kW的能力，但其應(yīng)用前景并不樂觀。
光纖激光器技術(shù)
光纖激光器優(yōu)點(diǎn)在于優(yōu)良的光束質(zhì)量和方便的熱管理，缺點(diǎn)在于單纖的輸出功率有限，要達(dá)到100 kW級(jí)的功率水平需要復(fù)雜的光束合成方案。
光束合成有相干合成、譜合成以及功率合成等方式。相干合成和譜合成能夠較好地保持光束質(zhì)量，但是對(duì)激光的線寬有著苛刻的要求，這進(jìn)一步限制了單纖的輸出水平。
隨著窄線寬光纖激光技術(shù)的進(jìn)步，光纖激光的合成功率得到了大幅提升。2017年3月初，洛克希德· 馬丁公司采用光譜合成技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)58 kW激光輸出，光束質(zhì)量接近衍射極限，這是迄今為止最好光束質(zhì)量的最高功率的光纖激光合成輸出。
盡管取得了里程碑性的進(jìn)展，但是合成光束的功率進(jìn)一步提升空間有限。
板條激光器技術(shù)
板條激光器利用其介質(zhì)幾何對(duì)稱性和之字形光路，可以部分抵消熱致光程差和雙折射效應(yīng)的影響，是實(shí)現(xiàn)高平均功率高光束質(zhì)量激光輸出的有效方式。
1. 二極管端面抽運(yùn)傳導(dǎo)冷卻
板條激光器(CCEPS)
板條激光器(CCEPS)
諾格（Northrop Grumman）公司在2009年實(shí)現(xiàn)了7路CCEPS相干合成輸出105.5 kW，光束質(zhì)量?jī)?yōu)于3倍衍射極限，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)19.3%。
諾格方案單路輸出功率有限，相干合成后光束質(zhì)量的退化效應(yīng)比較明顯，這主要是因?yàn)闀簳r(shí)無(wú)法找到有足夠占空比的光束拼接方案。另外，隨著鏈路數(shù)目的增加，將會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)相位控制技術(shù)提出很大挑戰(zhàn)。
針對(duì)合成后光束質(zhì)量退化問題，通過(guò)偏振合束和利用衍射光學(xué)元件合束的方式可以加以改善，隨著波前控制技術(shù)進(jìn)步，可合成的路數(shù)也將逐步增加。
2. ThinZag浸入式板條激光器
Textron公司采用冷卻液直接冷卻陶瓷ThinZag板條激光器，開發(fā)出了1 kW、5 kW和15 kW的高功率連續(xù)激光器產(chǎn)品。
2010年，Textron公司串聯(lián)6個(gè)增益放大模塊，構(gòu)成緊湊的單口徑輸出振蕩器，實(shí)現(xiàn)了100 kW的激光輸出。
放大器模塊之間插入變形鏡校正波前畸變，但當(dāng)激光器工作在高功率時(shí)，變形鏡由于損傷閾值限制發(fā)生損壞，造成光束質(zhì)量急劇下降，僅能工作數(shù)秒。
薄片激光器技術(shù)
1. 傳導(dǎo)冷卻薄片激光器
薄片內(nèi)熱量沿著軸向傳輸，所以理論上不存在熱透鏡效應(yīng)，可以得到高光束質(zhì)量的激光輸出。
2008年6月，Boeing公司宣稱其薄片激光器輸出功率達(dá)25 kW，光束質(zhì)量?jī)?yōu)良；德國(guó)物理技術(shù)研究所采用端面抽運(yùn)薄片激光器在2008年實(shí)現(xiàn)多模16 kW，光束質(zhì)量M2≈24，在4 kW時(shí)光束質(zhì)量可以達(dá)到M2=1.4。
面抽運(yùn)方式下，薄片激光器的增益介質(zhì)較薄，使得抽運(yùn)光單程吸收能力很差，必須設(shè)計(jì)復(fù)雜的抽運(yùn)系統(tǒng)保證抽運(yùn)能量的充分吸收，消弱了激光器系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而且實(shí)際輸出的光束質(zhì)量并不理想，邊緣效應(yīng)、熱應(yīng)力以及抽運(yùn)和散熱的不均勻都使得光束質(zhì)量嚴(yán)重退化；另外，單片薄片能力有限，高功率輸出需要多塊薄片級(jí)聯(lián)放大，需要復(fù)雜的抽運(yùn)光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)規(guī)模較大。
2. 液體冷卻薄片激光器
General Atomics公司研發(fā)的液體冷卻薄片激光器，采用的技術(shù)方案從未公開報(bào)道過(guò)，經(jīng)分析認(rèn)為可能采用了分布式增益的薄片YLF激光器專利技術(shù)。2010年，通用原子公司實(shí)現(xiàn)了單模塊60 kW功率輸出，2015年實(shí)現(xiàn)兩模塊150 kW激光輸出。
這種激光器通過(guò)將熱量分散在多個(gè)片狀單元中，利用流體的強(qiáng)散熱能力將熱量快速導(dǎo)出，使得增益介質(zhì)中的溫升極低，且只在光軸方向具有溫度梯度，大大降低了增益介質(zhì)本身帶來(lái)的熱畸變。
這種方案展示出了良好的定標(biāo)放大能力，但是冷卻液會(huì)對(duì)激光性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，這種激光器的光束質(zhì)量不容樂觀。
平面波導(dǎo)激光器技術(shù)
平面波導(dǎo)激光技術(shù)兼顧了光纖和薄片激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，增益區(qū)截面積可以擴(kuò)展，光束質(zhì)量可控。缺點(diǎn)在于增益介質(zhì)制備困難，光束的級(jí)間耦合要求精度高。
Raytheon公司在2006年用單個(gè)平面波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了16 kW的多模激光輸出，展示了平面波導(dǎo)的巨大技術(shù)潛力。在2013年實(shí)現(xiàn)了單個(gè)平面波導(dǎo)14.5 kW的激光輸出（導(dǎo)波方向近單模），并在5.4 kW水平驗(yàn)證了對(duì)非導(dǎo)波方向進(jìn)行自適應(yīng)校正的可行性，校正后光束質(zhì)量達(dá)到1.7倍衍射極限。
新型表層增益板條激光器技術(shù)
提高單模塊輸出功率最直接的思路是提高增益介質(zhì)的散熱能力，即提高表面積體積比。非均勻摻雜的三明治結(jié)構(gòu)板條應(yīng)運(yùn)而生。板條的兩個(gè)大面處有一定厚度的摻雜區(qū)，適應(yīng)大面?zhèn)鲗?dǎo)冷卻，稱之為表層增益。
區(qū)別于現(xiàn)有的端頭鍵合、體增益板條，新型表層增益板條激光器技術(shù)可滿足更高功率激光系統(tǒng)對(duì)低熱畸變，高增益、高功率輸出增益介質(zhì)的需求。
板條內(nèi)抽運(yùn)光和主激光沿“之”字傳播。表層增益板條與傳統(tǒng)板條相比，在相同抽運(yùn)功率下溫升較小，而且在厚度方向?qū)嵊泻芎玫膭蚧饔茫邆鋬?yōu)異的散熱能力。
當(dāng)信號(hào)光功率密度大于10 kW/cm2，保證放大器模塊抽運(yùn)功率密度大于10 kW/cm3，單模塊的提取效率保持在40%以上。抽運(yùn)功率為25 kW時(shí)，激光輸出功率可達(dá)到12.2 kW，對(duì)應(yīng)的光-光效率為49%，具備獲得高效率高功率輸出的能力。在連續(xù)諧振腔輸出實(shí)驗(yàn)中，采用表層增益板條已獲得了3 kW的激光輸出具有非常好的線性度。
上述激光器設(shè)計(jì)極大改善了激光器的性能，使激光器單口徑輸出功率水平繼續(xù)取得新的突破。
高功率固體激光技術(shù)的突破，關(guān)鍵在于如何消除或補(bǔ)償固體增益介質(zhì)中熱積累帶來(lái)的熱畸變，即在高功率運(yùn)行條件下保持光束質(zhì)量，進(jìn)行定標(biāo)放大。通過(guò)冷卻方式和增益介質(zhì)構(gòu)型的進(jìn)一步優(yōu)化，相位共軛、自適應(yīng)光束凈化、新型諧振腔以及各種補(bǔ)償措施的出現(xiàn)，高功率固體激光器輸出激光性能還將有新的突破。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
