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本文作者曾麗娜，錢一沖，李林，李再金，趙志斌，喬忠良，曲軼，彭鴻雁，海南師范大學(xué)，物理與電子工程學(xué)院，僅作交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！

1. 引言

近年來，二極管激光技術(shù)的日益完善和二極管激光器件性能的大幅提升，高功率激光二極管泵浦固體激光技術(shù)獲得了快速發(fā)展，克服了傳統(tǒng)燈泵浦的激光器整體轉(zhuǎn)換效率低、不靈活、溫度高等缺點(diǎn)。激光二極管泵浦固體激光器集半導(dǎo)體激光器效率高、壽命長的優(yōu)點(diǎn)以及泵浦固體激光器光束質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，人們對研制新型激光二極管泵浦固體激光器的興趣不斷增加。相比于傳統(tǒng)的燈泵浦固體激光器，激光二極管泵浦固體激光器具體優(yōu)勢在于，泵浦波長易于介質(zhì)吸收峰很好對應(yīng)，具有高量子效率，電–光轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 25%~45%，連續(xù)工作時長可達(dá) 15,000 小時。

激光二極管泵浦的固體激光材料，如 Pr:YAG及其系列，可使整體能量轉(zhuǎn)換效率提高，體積變小，提高輸出功率穩(wěn)定性，壽命增加。由于整體轉(zhuǎn)換效率的提高，在相同的輸出功率下，大大降低了激光二極管泵浦固體激光器的熱效應(yīng)，容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和操控的單橫模、單縱模的輸出。本文主要從激光二極管固體材料、泵浦方式、泵浦的散熱特性三個方面，介紹大功率激光二極管泵浦固體激光技術(shù)的發(fā)展歷史以及國內(nèi)外研究進(jìn)展。

2. 新的固體激光材料

材料是激光二極管泵浦的基本，隨著材料性能的提高，激光二極管泵浦的性能會得到相應(yīng)提升。最初的激光器介質(zhì)采用紅寶石晶體，由于紅寶石的激發(fā)效率較低，不適合連續(xù)工作，而且紅寶石的晶體性能容易受外界溫度的影響，不適合在室溫下做持續(xù)的多激光重頻組件。繼紅寶石晶體后，適合作為激光器材料有藍(lán)寶石、釔鋁石榴石等晶體。在隨后十幾年的科研人員試驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)了比紅寶石材料性能更好的玻璃材料，相比于紅寶石等晶體材料，玻璃材料容易制造，具有良好的光學(xué)質(zhì)量，而且還可以做成很大的體積，產(chǎn)生高輸出能量。但是，玻璃材料導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大，不適合連續(xù)或高重復(fù)頻率的工作，制約了玻璃材料更大的發(fā)展。

近年來，隨著透明陶瓷的研制成功，最近出現(xiàn)的性能優(yōu)異的多晶陶瓷激光材料有釔鋁石榴石(YAG) 和氟化镥鋰晶體(LiLuF4)。釔鋁石榴石的化學(xué)式為 Y3Al5O12，是由 Y2O3 和 Al2O3 反應(yīng)生成的一種復(fù)合氧化物，屬立方晶系，具有石榴石結(jié)構(gòu)，其物理和化學(xué)特性決定了它具有很好的導(dǎo)熱性。氟化镥鋰晶體具有光束能量高、寬波段光學(xué)透過性高、物化穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。在摻有釔鋁石榴石的激光介質(zhì)中，如 Pr:YAG(摻鐠釔鋁石榴石晶體)，Ho3+，Pr3+:LiLuF4 (摻鈥鐠氟化镥鋰晶體)等，對激光二極管泵浦固體激光器會產(chǎn) 生更好的性能。和玻璃材料相比，陶瓷的導(dǎo)熱率通常要大的多，和紅寶石等晶體相比，陶瓷制造周期短，造價低，而且陶瓷中可以均勻摻進(jìn)高濃度的激活粒子，可以制造出大尺寸的陶瓷激光介質(zhì)樣品。

在二極管激光器材料的選擇中，能級壽命是一個很重要的參數(shù)，能級壽命越大，該激光器的性能越好。在摻雜了 Ho3+ (正三價鈥離子)的激光晶體中，激光兩個比較強(qiáng)的輸出范圍分別是在 1.1 μm 和 1.9 μm附近，在只摻 Ho3+離子的 LiLuF4晶體中，5I7相比 5I6能級壽命大的很多，激光在 3 μm 波段只能脈沖輸出，不能連續(xù)輸出，摻 Ho3+，Pr3+的 LiLuF4晶體能級示意圖如圖 1 所示。

2016年上海第二工業(yè)大學(xué)王勝利等人在實(shí)驗(yàn)中采取在Ho:LiLuF4晶體中摻雜Pr3+離子，借助Pr3+離子和 Ho3+離子中的能量傳遞，以減少 Ho3+離子的 5I7能級壽命。晶體的能量傳遞滿足 3 μm (5I6 → 5I7)波段激光連續(xù)輸出的要求，利用 1.1 μm 的激光二極管泵浦 Ho3+，Pr3+:LiLuF4晶體，產(chǎn)生 3 μm 激光。王勝利等人實(shí)驗(yàn)所用 Ho3+，Pr3+:LiLuF4晶體中摻雜 Ho3+離子和 Pr3+離子百分含量分別為 3%和 0.5%，晶體大小為 3 × 3 × 30 mm3。泵浦源激光波長在1.140~1.150μm之間，激光器的輸出方式為光纖耦合。實(shí)驗(yàn)所得最大激光輸出功率為50mW，連續(xù)在激光波長為2934nm輸出下，得出斜率效率恒定在22.6%左右。在該實(shí)驗(yàn)最大功率時下，激光束質(zhì)量因子M2(越小越好)因子約為4。

Pr(鐠)元素是稀土元素，稀土元素?fù)诫s進(jìn)增益介質(zhì)中可以拓展激光的波長，激光波長越長，激光器的制作和成本也就越低。Pr3+離子最外層電子數(shù)為2，次外層失去一個電子和最外層電子全部失去后變成Pr3+離子。在激光二極管激光器中，人們對尋找可見激光二極管泵浦的新型固體增益介質(zhì)的腳步從未停歇，在眾多適合激光二極管泵浦的介質(zhì)中，特別是眾多的三價稀土離子，如Eu3+、Pr3+、Gd3+、Ce3+、Tm3+等摻雜進(jìn)固體增益介質(zhì)中，會對激光二極管泵浦效果產(chǎn)生不同的有益影響。而三價稀土離子 Pr3+由于其原子核能級結(jié)構(gòu)和在各個原子層總中容易發(fā)生躍遷關(guān)系，可以促進(jìn)其在許多自然光波段的能級躍遷，如藍(lán)、綠、橙、紅和深紅光，可以直接實(shí)現(xiàn)可見光波段的激光輸出，特別適用于藍(lán)色激光二極管泵浦的激光增益介質(zhì)。采用激光二極管泵浦Pr3+:LiYF4激光晶體均獲得高功率連續(xù)激光輸出。2015 年報道了激光二極管泵浦的 108 W 高光束質(zhì)量激光輸出，表明藍(lán)光激光二極管直接泵浦激光氟化物晶體獲得的最高輸出功率，具有十分良好的研究前景。

2017 年山東大學(xué)張懷金等人總結(jié)了近幾年國內(nèi)外摻 Pr3+激光增益介質(zhì)的研究進(jìn)展和趨勢，以藍(lán)光激光二極管為泵浦源，摻 Pr3+離子的 GdLiF4 (氟化釓鋰晶體)為增益介質(zhì)，采用二維可飽和吸收材料 MoS2 (二硫化鉬)，分別研究了摻 Pr3+氟化物增益介質(zhì)在全固態(tài)調(diào)Q 脈沖激光和全固態(tài)鎖模脈沖激光，Pr3+離子的GdLiF4增益介質(zhì)在脈沖可見激光輸出上將會有更大的應(yīng)用潛能。根據(jù)Kerr透鏡鎖模原理，通過調(diào)整諧振腔和晶體，實(shí)現(xiàn)了522，607，639和720nm四種自鎖模式穩(wěn)定的超快脈沖激光輸出。和以半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)為光調(diào)制器件的紅光鎖模脈沖結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均輸出功率遠(yuǎn)高于SESAM的輸出功率且其脈沖寬度相差不大。和SESAM相比，Pr3+離子的GdLiF4增益介質(zhì)具有制備簡單、使用波長寬和層數(shù)可控的優(yōu)點(diǎn)。

3. 泵浦方式

根據(jù)激光二極管封裝和輸出光束的特點(diǎn)，激光二極管泵浦固體激光器的泵浦方式一般情況下可以分為端面泵浦和側(cè)面泵浦，兩種激光泵浦方式各自具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，同時又具有不同的缺點(diǎn)。探索端面泵浦和側(cè)面泵浦的輸出特性對激光器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)都具有重要意義。

激光二極管直接端面泵浦，激光進(jìn)行縱向泵浦，激光二極管陣列產(chǎn)生泵浦光，通過會聚光學(xué)系統(tǒng)(包含自聚焦透鏡和組合透鏡等)耦合輸入激光，然后激光從軸向方向進(jìn)入激光晶體，最后通過輸出鏡輸出。泵浦光傳播方向與振蕩光方向一致，實(shí)現(xiàn)了泵浦光與振蕩光的空間耦合。端面泵浦可以通過泵浦光的空間分布控制激光晶體內(nèi)的增益及熱效應(yīng)的空間分布，控制振蕩光模式，有效提高激光二極管泵浦固體激光的整體光-光轉(zhuǎn)換效率，控制輸出激光模式。一般情況下，單管或光纖耦合輸出的激光二極管常采用端面泵浦的方式。激光增益介質(zhì)在泵浦源的一端涂覆有 808 nm 寬帶增透膜和1064nm高反射率膜，使激光二極管固體激光器振蕩放大輸出。通過耦合系統(tǒng)和激光腔結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，泵浦光束與諧振腔?？梢暂^好匹配，增益介質(zhì)能夠充分的吸收泵浦光，因而閾值低，斜效率高，容易實(shí)現(xiàn)TEMOO模激光輸出(激光束橫截面上的強(qiáng)度分布)，例如激光二極管泵浦Pr:YVO4晶體斜效率可達(dá) 72%。目前，隨著聚光系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，大功率激光二維陣列也可實(shí)現(xiàn)端面泵浦方式。

端面泵浦也有局限性，由于泵光過分聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，因此會在激光增益介質(zhì)中產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng)，致使激光輸出功率嚴(yán)重下降、激光品質(zhì)下降。過高的工作功率往往會造成激光增益介質(zhì)的損壞，所以端面泵浦的功率不能太大，對不同的增益介質(zhì)來說，可以實(shí)現(xiàn)的最大泵浦功率不相同，一般為百瓦量級泵浦功率輸出。目前國內(nèi)開展激光二極管固體端面泵浦研究的單位有，中國科學(xué)院物理所光物理實(shí)驗(yàn)室、國科學(xué)院長春光機(jī)所、中國科技大學(xué)、中國工程物理研究院電子學(xué)研究所、西安電子科技大學(xué)等。國外的研究單位是德國夫朗和費(fèi)研究所、日本三菱公司、美國 HRL (休斯研究實(shí)驗(yàn)室)、德國 Rofin 激光公司等。

側(cè)面泵浦即橫向泵浦，是指將來自增益介質(zhì)側(cè)面的泵浦光射進(jìn)到增益介質(zhì)中，并且激光器的模式是沿著增益介質(zhì)的長度進(jìn)行振蕩。側(cè)面泵浦二極管固體激光器的工作方式是，在板條介質(zhì)的一端用激光二極管陣列，另一端是反射板，使激光大量聚合到增益介質(zhì)中，如圖2所示。通常，為了獲得均勻的激光泵浦分布，側(cè)面泵浦通常采用三向、五向?qū)ΨQ泵浦結(jié)構(gòu)。在五向?qū)ΨQ泵浦結(jié)構(gòu)中，二維陣列封裝在內(nèi)部有冷卻通道的熱沉上，由冷卻劑精確控溫使二維陣列發(fā)射波長在激光晶體的吸收峰附近。冷卻劑同時對激光晶體進(jìn)行冷卻，激光晶體和二維陣列用石英玻璃管隔開。圍繞著激光晶體棒還設(shè)置了反光塊，用來防止二維陣列的泵浦激光逸出，同時對激光模塊的機(jī)械部件進(jìn)行定位。采取三向、五向?qū)ΨQ泵浦結(jié)構(gòu)的側(cè)面泵浦方式通常能獲得超大功率輸出，側(cè)面泵浦方式被普遍應(yīng)用于切割太陽能電池板方面的激光劃片、(超)精細(xì)雕刻方面的激光打標(biāo)等需要大功率輸出。

側(cè)面泵浦的優(yōu)點(diǎn)在于，可以利用更多的二維陣列，使其沿增益介質(zhì)軸向擺放，通過增益介質(zhì)圓柱體或長方體的表面相對于光軸方向進(jìn)行橫向泵浦，對散熱和激光耦合都提供了比較大的外部面積。通過合理選擇激光模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以提高泵浦面積的均勻性，從而改善輸出激光的光束品質(zhì)。但是，由于側(cè)面泵浦的活躍區(qū)在增益介質(zhì)邊沿，中央處TEM00的模表面積對輸入激光的吸收相對較少，所以經(jīng)常是多模輸出；不過輸出功率非常大，可以達(dá)到千瓦量級。

側(cè)面泵浦方式缺點(diǎn)也很明顯，在側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中，增益介質(zhì)中的面積排列不易和沿軸線縱向方向形成的駐波場進(jìn)行匹配；并且因?yàn)樵鲆娼橘|(zhì)內(nèi)部溫度比外部溫度高出很多，從而在側(cè)面泵浦的激光器中產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng)，激光的輸出效率大幅減少。同時，側(cè)面泵浦工作時會產(chǎn)生大量的熱，因此在工作時必須添加冷卻液以保證激光器的正常運(yùn)行。而冷卻液吸收激光，在冷卻液附近時會有相當(dāng)一部分激光被冷卻液帶走，這些冷卻液嚴(yán)重影響了側(cè)面泵浦的工作效率。目前主要采用側(cè)面泵浦方式研究激光二極管泵浦的單位有，中國科學(xué)院福建物構(gòu)所、華北光電研究所、華中科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等。國外有美國雷神公司太空與空用系統(tǒng)部、美國格魯曼公司、美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、日本東芝公司等。

4. 散熱性能研究

激光二極管泵浦的固體激光器的熱效應(yīng)主要是，激光二極管工作時使增益介質(zhì)表面發(fā)生熱形變的產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)。長時間連續(xù)工作的激光二極管泵浦固體激光器，實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率只有15%左右，在工作過程中有大量的能量以熱的方式損耗了。產(chǎn)生熱的原因有三點(diǎn)：一是量子在各個能級發(fā)生的躍遷不穩(wěn)定，在泵浦帶和激光增益介質(zhì)中產(chǎn)生大量的熱；二是低激光能級和量子基本狀態(tài)的能量差異；三是激光高能級和泵浦帶之間的能量差異。綜上所述，激光二極管泵浦的固體激光器熱管理可以歸納為三個方面：其一，提高激光器的總體轉(zhuǎn)換效率以降低增益介質(zhì)上的總耗熱量；其二，實(shí)施有效的冷卻，及時導(dǎo)出增益介質(zhì)上熱量；其三，降低因冷卻產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

激光二極管泵浦的固體激光器的熱效應(yīng)問題嚴(yán)重影響了了激光器的正常工作效率，降低了激光質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，必須應(yīng)用有效的方法來降低或者減少熱效應(yīng)問題。常用的減少二極管激光泵浦固體激光器熱效應(yīng)的方法包括：用冷卻液冷卻激光器、過濾不需要的激光光波方法、使用特殊結(jié)構(gòu)的工作結(jié)構(gòu)，用物理方法來降低增益介質(zhì)中和聚透鏡中聚集的熱量。一般的冷卻方法是加入冷卻液進(jìn)行冷卻，最常見的冷卻液是蒸餾水或去離子水，它的優(yōu)點(diǎn)是比熱容大，導(dǎo)熱性能高，膨脹指數(shù)小，粘合度低。除了用冷卻液來降低二極管激光泵浦固體激光器熱效應(yīng)，還可以通過過濾不需要的激光光波的方法。激光增益介質(zhì)中的活性離子只吸收激光束寬帶輻射譜中一小部分，非常多的一部分被轉(zhuǎn)換成熱量而損耗。主要的過濾激光光波方法有兩種即使用濾光液和濾光玻璃。在冷卻液(如水，乙二醇，碳氟化合物)中加入一定比例的具有高度濾光功能和吸收近紅外線光域的濾光材料，就能配制成同時具有冷卻和濾光功能的濾光液。在增益介質(zhì)附近采用濾光玻璃放在激光器件附近，也可實(shí)現(xiàn)濾光功能。

國內(nèi)西安電子科技大學(xué)宋小鹿和李兵斌團(tuán)隊(duì)相繼在2007年和2009年，改進(jìn)了激光二極管固體激光器端面泵浦方式時，在激光射進(jìn)增益介質(zhì)附近產(chǎn)生大量熱的問題，分別在增益介質(zhì)的前面和后面使用熱導(dǎo)率為 1900 W/m?k 的金剛石作為冷卻材料導(dǎo)出激光器產(chǎn)生的熱量。由于金剛石極高的導(dǎo)熱率，因此激光器工作時，在增益介質(zhì)附近短時間內(nèi)產(chǎn)生的大量熱量可以快速傳導(dǎo)到金剛石材料中，最后通過熱沉導(dǎo)出熱量。微通道冷卻是指輸水?dāng)嗝娴倪^流面積與水體接觸的輸水管道邊長之比在 10~1000 μm 范圍之間的通道。由于同樣體積的冷卻液和半徑小、內(nèi)部面積大的微通道中的接觸面積很大，同時微尺度效應(yīng)使微通道對流換熱系數(shù)增大，所以微通道的效率實(shí)際遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)通道的效率。微通道冷卻方法的理論是通過增加接觸面積和冷卻液的對流換熱系數(shù)來提高激光器散熱能力。噴霧冷卻是將少量液體混合到加壓氣體中組合成霧狀的汽液混合流體，通過噴霧將其噴射到熱交換表面上，并以霧化后的微小液滴形式帶走熱量以實(shí)現(xiàn)制冷。

固體冷卻相比于微通道冷卻和噴霧冷卻方式實(shí)現(xiàn)難度較低，容易利用現(xiàn)有材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在現(xiàn)有可以大規(guī)模制作的導(dǎo)熱材料中，石墨烯是否代替金剛石作為導(dǎo)熱材料成為一個值得研究的方向。因?yàn)榻饎偸褪┦峭N元素組成的不同物質(zhì)，而且石墨烯的導(dǎo)熱性也是很好。人們對微通道冷卻和噴霧冷卻的熱傳導(dǎo)和流動性的探索還處在起步期，無法大規(guī)模應(yīng)用到激光二極管固體激光器的冷卻中。因此，我們需要繼續(xù)研究激光二極管固體激光冷卻物理特性，研究冷卻過程中的流動特性和熱傳導(dǎo)特點(diǎn)，開發(fā)新的冷卻材料，提升冷卻效率，使激光器能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

5. 應(yīng)用與展望

2009年中科院半導(dǎo)體研究所研制的激光二極管泵浦固體激光器已取得10kW高功率激光輸出，其中工業(yè)級5kW全固態(tài)激光器的累計(jì)工作時間大于600小時。2012 年9月，歐洲導(dǎo)彈防御局(MBDA)采用幾何拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)40KW髙功率激光輸出，成功地完成了對炮彈和鋼板的打靶演示試驗(yàn)。2013年11月，萊茵金屬公司利用兩臺釹玻璃激光器聯(lián)合作戰(zhàn)模式發(fā)展了總功率50KW的“天空衛(wèi)士”(SkyGuard)系統(tǒng)，并進(jìn)行了針對無人機(jī)的初步打靶實(shí)驗(yàn)。2016年，功率達(dá)到120KW的工業(yè)級釹玻璃激光器由天津東方銳鐳公司聯(lián)合國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高能激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)研制成功，其各方面指標(biāo)排在世界前列。

大功率二極管泵浦固體激光器主要應(yīng)用在工業(yè)加工和軍事領(lǐng)域。工業(yè)加工領(lǐng)域主要有激光切割、打磨、焊接和精確組裝等。國內(nèi)的大功率激光在工業(yè)加工應(yīng)用方面也發(fā)展很快，例如在國產(chǎn)航空母艦、護(hù)衛(wèi)艦、潛水艇等船舶的建造過程中，使用大功率激光技術(shù)對復(fù)雜形狀的厚鋼板進(jìn)行切割焊接等。軍事領(lǐng)域主要應(yīng)用在激光武器上，如激光導(dǎo)彈、激光掃雷戰(zhàn)車、大功率激光炮等。除工業(yè)加工和軍事領(lǐng)域外，大功率二極管泵浦固體激光器還可以廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)療手術(shù)、居家娛樂、生物化學(xué)、太空探索、信息處理等領(lǐng)域，具有極高的實(shí)用價值。

激光技術(shù)是世界上公認(rèn)的、應(yīng)用最廣泛的高新技術(shù)之一，已經(jīng)成為新一代性能卓越的綠色、節(jié)能光源，成為激光發(fā)展中最具前景的方向之一。為了全面提高我國在激光方向上的研究和應(yīng)用水平，需要加強(qiáng)在激光二極管泵浦固體激光器及應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的研究和創(chuàng)新，推動激光技術(shù)規(guī)?；膽?yīng)用，盡快創(chuàng)造出能走向世界的中國激光產(chǎn)品，發(fā)展高效先進(jìn)的二極管泵浦固體激光器及應(yīng)用。