太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器相對(duì)于傳統(tǒng)二極管泵浦激光器具有能耗低、效率高等優(yōu)勢(shì)，在大氣傳感、深空通信及國(guó)防安全等重要領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，戰(zhàn)略意義重大。因此，設(shè)計(jì)高效的陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)、選擇及開(kāi)發(fā)對(duì)可見(jiàn)光波段具有高匹配度、高吸收量和高轉(zhuǎn)化效率的增益介質(zhì)極為重要。
近日，江蘇師范大學(xué)陳浩教授團(tuán)隊(duì)在《發(fā)光學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為“太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器研究進(jìn)展”的綜述文章。
該綜述重點(diǎn)介紹了太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)、增益介質(zhì)及泵浦系統(tǒng)設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，揭示了其與激光輸出質(zhì)量及光轉(zhuǎn)化效率提升的定向關(guān)聯(lián)。提出在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器發(fā)展中，高匯聚效率及高功率的激光輸出是核心研究目標(biāo)，而高品質(zhì)增益介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵所在。最后，展望了太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
1 引言
激光技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能量集中、單向傳播距離較長(zhǎng)、輻射亮度高等功能，是目前最重要的科學(xué)技術(shù)手段之一，在醫(yī)療、環(huán)保、半導(dǎo)體和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。與其他類型激光器相比，固體激光器更易于實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，在激光應(yīng)用領(lǐng)域一直處于主導(dǎo)地位。相對(duì)于LD泵浦，太陽(yáng)光泵浦固體激光器以太陽(yáng)光作為泵浦源，能夠充分克服LD泵浦的固有缺陷，應(yīng)用前景廣闊。在太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化效率方面，目前最成熟的光轉(zhuǎn)化方案是通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，為半導(dǎo)體泵浦源提供能量；然后通過(guò)半導(dǎo)體泵浦源激勵(lì)增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)激光輸出。然而該方式中較多的中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致其光轉(zhuǎn)化效率最高僅為1.5%，且設(shè)備復(fù)雜、成本極高，遠(yuǎn)無(wú)法滿足發(fā)展需求。因此，若采用太陽(yáng)光直接泵浦增益介質(zhì)方式，實(shí)現(xiàn)光-光直接轉(zhuǎn)化，必將有效克服上述缺陷，在大幅提升光轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，促進(jìn)激光系統(tǒng)的集成化，降低成本。
2 太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的激光增益介質(zhì)研究進(jìn)展
增益介質(zhì)是固體激光器的核心，其決定激光輸出波長(zhǎng)和光轉(zhuǎn)化效率。如前所述，太陽(yáng)光的能量主要集中在可見(jiàn)光波段，增益介質(zhì)只有同時(shí)滿足對(duì)可見(jiàn)光的高匹配度、高吸收量和高轉(zhuǎn)化效率，才能充分提高泵浦效率，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出。因此，選擇和開(kāi)發(fā)適用于太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的增益介質(zhì)尤為關(guān)鍵。在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器中，玻璃及玻璃光纖、單晶和陶瓷是目前最常用的增益介質(zhì)。
（1）玻璃及玻璃光纖
玻璃介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)在于制備工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)大尺寸制備、摻雜均勻性好及散射損耗低，是太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的常用增益介質(zhì)。其光學(xué)吸收、熒光壽命及量子效率等特性表明，其能夠充分提升太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的可靠性和性價(jià)比。然而，玻璃介質(zhì)具有熱導(dǎo)率低、熱穩(wěn)定性差、機(jī)械性能差等本征缺陷，極大地限制了其在高功率太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器中的應(yīng)用。而采用先進(jìn)拉絲技術(shù)，將塊狀玻璃介質(zhì)制備成具有良好散熱性能的增益光纖，不僅能夠有效改善激光介質(zhì)在高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因溫度過(guò)高導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換效率降低及光猝滅現(xiàn)象，而且能夠充分克服塊狀玻璃介質(zhì)的缺陷，在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器方面應(yīng)用前景廣闊。
因此，采用光纖作為太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出方面具有極大潛力，并獲得了廣泛關(guān)注。但采用光纖介質(zhì)在設(shè)計(jì)方面難度較大，如太陽(yáng)光泵浦單束光纖需要盡可能追求小匯聚光斑，對(duì)太陽(yáng)光收集系統(tǒng)要求極高。盡管采用組合光纖束方式能夠緩解上述問(wèn)題，但極易造成較大的功率損耗，降低光輸出效率。此外，在太陽(yáng)光直接泵浦光纖介質(zhì)固體激光器的理論研究及實(shí)驗(yàn)?zāi)M方面，鮮有深入分析報(bào)道，仍需進(jìn)一步探索。
（2）激光晶體
單晶具有散射損耗低、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高和化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，有利于實(shí)現(xiàn)高功率、高效率激光輸出，得到了廣泛研究。其中，Nd∶YAG晶體具有熔點(diǎn)高、量子效率高、抗蠕變能力強(qiáng)、透光范圍廣等優(yōu)勢(shì)，其較低的聲子能量有利于抑制無(wú)輻射躍遷，提高激光輸出效率。同時(shí)，Nd3+離子具有四能級(jí)結(jié)構(gòu)，有利于降低激光閾值，且Nd3+離子在可見(jiàn)光波段具有豐富的吸收帶，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效吸收，成為目前最常用的太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)。然而，Nd3+離子作為鑭系稀土離子，其電子躍遷屬于典型的f-f躍遷。由于Nd3+離子4f殼層內(nèi)的電子受到5s25p6殼層的屏蔽，使其f-f躍遷受周圍晶體場(chǎng)的影響較小，導(dǎo)致了其窄線譜吸收特性，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)寬譜帶、非相干特性的太陽(yáng)光的高效吸收。而Cr3+離子在可見(jiàn)光波段具有寬范圍、強(qiáng)吸收特性，其吸收太陽(yáng)輻射能力強(qiáng)于Ce3+離子，遠(yuǎn)高于Nd3+離子，發(fā)射帶與Nd3+離子的吸收帶高度重合，因此可將吸收的太陽(yáng)光能量有效地傳遞給Nd3+離子，實(shí)現(xiàn)Cr敏化太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出。Cr3+-Nd3+離子間能量傳輸機(jī)制如圖1所示。
圖1 Cr3+與Nd3+離子間能量傳遞示意圖
除Cr,Nd: YAG晶體外，目前能夠?qū)崿F(xiàn)Cr,Nd共摻雜太陽(yáng)光泵浦固體激光器增益介質(zhì)主要有Cr:Nd: GSGG (Gd3Sc2Ga3O12)，Cr:Nd: GGG (Gd3Ga5O12)，Cr:Nd: YSGG (Y3Sc2Ga3O12)等。然而，雖然Cr:Nd: GSGG，Cr:Nd: GGG，Cr:Nd: YSGG具有比Nd: YAG更高的抗輻射性能，但其發(fā)射截面和熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于YAG，不利于連續(xù)高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，Cr,Nd共摻雜的YAG材料成為最佳選擇。
單晶材料作為目前固體激光器最常用的激光增益介質(zhì)，有將近60年的發(fā)展歷史，但依然存在制備成本高、能耗大、制備周期長(zhǎng)(可達(dá)1個(gè)月)、均勻性差、難以實(shí)現(xiàn)大尺寸制備及高濃度摻雜等問(wèn)題。上述問(wèn)題迄今未能有效解決，極大地限制了其在太陽(yáng)光泵浦激光器中的實(shí)際應(yīng)用。
（3）透明激光陶瓷
相對(duì)于單晶材料，透明陶瓷作為新一代固體激光增益介質(zhì)，其僅通過(guò)高溫?zé)Y(jié)原料粉體便能實(shí)現(xiàn)材料的致密化，制備溫度遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)，制備周期僅為1周。同時(shí)，陶瓷材料以其多晶態(tài)本征特性，易于實(shí)現(xiàn)高濃度、均勻化的離子摻雜。特別地，只有大尺寸的固體激光增益介質(zhì)才能夠真正實(shí)現(xiàn)其空天太陽(yáng)光泵浦激光應(yīng)用，而透明陶瓷的尺寸僅取決于成型模具大小。透明陶瓷是目前固體激光材料研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，與激光光纖一起被稱作是“最具有開(kāi)發(fā)潛力的激光材料”，發(fā)展前景廣闊。對(duì)于太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器，目前常用的透明陶瓷基增益介質(zhì)為Cr,Nd: YAG。Saiki等采用白光激發(fā)的方式，將Cr,Nd: YAG透明陶瓷激光輸出功率突破千瓦量級(jí)，且光轉(zhuǎn)化效率高達(dá)63%，其激光裝置圖如圖2所示。
圖2 采用太陽(yáng)光泵浦Cr,Nd: YAG透明陶瓷提升輸出功率示意圖
實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、適用于太空環(huán)境下的陶瓷基增益介質(zhì)制備，對(duì)于突破太陽(yáng)光直接泵浦激光器長(zhǎng)期發(fā)展的桎梏，滿足我國(guó)未來(lái)空天戰(zhàn)略需求意義重大。但從整體上來(lái)看，我國(guó)關(guān)于陶瓷基太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)的研究仍在起步階段，相關(guān)激光輸出的報(bào)道較少，與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有差距。因此，我國(guó)仍需進(jìn)一步加大對(duì)透明陶瓷的研發(fā)力度，方能滿足未來(lái)太陽(yáng)光直接泵浦激光器的實(shí)際發(fā)展需求，縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距。
（4）復(fù)合結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)
對(duì)于太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器，單一結(jié)構(gòu)單晶或陶瓷介質(zhì)在激光運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，極易導(dǎo)致其熱量分布不均勻，造成熱透鏡效應(yīng)，降低激光輸出性能。采用鍵合結(jié)構(gòu)單晶/陶瓷介質(zhì)可有效改善激光介質(zhì)在激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的熱效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出。不僅如此，鍵合結(jié)構(gòu)固體激光材料能夠通過(guò)多元化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)固體激光器的多功能應(yīng)用，發(fā)展?jié)摿薮?。北京理工大學(xué)采用直徑6 mm、長(zhǎng)度95 mm、槽距0.6 mm、槽深0.1 mm的Nd: YAG/YAG鍵合晶體棒，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了收集效率為32.1 W/m2、斜效率為5.4%、光轉(zhuǎn)換效率為3.3%的連續(xù)激光輸出。然而，單晶材料之間的鍵合結(jié)合面強(qiáng)度較弱，極易產(chǎn)生空氣間隙造成光散射，降低激光輸出性能。
圖3 泵浦腔與Nd: YAG/YAG鍵合晶體棒結(jié)合原理圖
相對(duì)于單晶鍵合技術(shù)，透明激光陶瓷能夠采用高溫?zé)Y(jié)技術(shù)，通過(guò)熱擴(kuò)散方式消除鍵合面之間的縫隙，其在鍵合強(qiáng)度方面遠(yuǎn)高于鍵合單晶介質(zhì)，在固體激光應(yīng)用方面潛力巨大。目前，復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷已經(jīng)成為固體激光增益介質(zhì)的主要發(fā)展方向之一。表1展示了不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合型Nd: YAG陶瓷的激光輸出特性，也充分體現(xiàn)出復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷作為激光增益介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。
表1 不同復(fù)合結(jié)構(gòu)Nd: YAG透明陶瓷及其激光特性
復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷介質(zhì)在未來(lái)高功率激光輸出方面具有無(wú)限潛力，其極大程度緩解了熱透鏡效應(yīng)，且相比單晶，復(fù)合陶瓷在尺寸形狀變化、高摻雜濃度以及極端天氣應(yīng)對(duì)方面具有很高的靈活性、均勻性與穩(wěn)定性，在未來(lái)空天應(yīng)用的無(wú)限潛力毋庸置疑。
3 問(wèn)題與展望
太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的重要性已引起了極大關(guān)注，并取得較大進(jìn)展，但仍然存在一些問(wèn)題，如在激光增益介質(zhì)方面：
（1）激光單晶是太陽(yáng)光泵浦固體激光器最常用增益介質(zhì)，但單晶制備過(guò)程復(fù)雜且無(wú)法實(shí)現(xiàn)高濃度均勻摻雜。因此，實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)的制備工藝優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出的基礎(chǔ)。
（2）太陽(yáng)光的能量密度遠(yuǎn)低于二極管泵浦光，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效吸收是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出的前提。如前所述，截至目前，鮮有高濃度Cr離子摻雜增益介質(zhì)的有效價(jià)態(tài)調(diào)控報(bào)道。
（3）宇宙空間中存在大量紫外線及高能射線，極易導(dǎo)致增益介質(zhì)產(chǎn)生大量缺陷及色心。因此，如何充分調(diào)控增益介質(zhì)制備工藝以實(shí)現(xiàn)其有效電荷補(bǔ)償，或采用多功能復(fù)合結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)設(shè)計(jì)使其對(duì)高能射線造成有效屏蔽，進(jìn)而充分克服高能射線的不利影響，是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光泵浦固體激光器實(shí)際空天應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
（4）由于技術(shù)條件限制，單晶難以實(shí)現(xiàn)大尺寸制備。盡管透明陶瓷介質(zhì)的尺寸取決于模具大小，但實(shí)現(xiàn)其大尺寸制備仍然存在許多技術(shù)難題，主要體現(xiàn)在燒結(jié)時(shí)受熱不均勻、造成燒結(jié)收縮不一致甚至開(kāi)裂。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化陶瓷粉體流動(dòng)性及分散性，以增加陶瓷素坯的微觀均勻性，提升陶瓷質(zhì)量。
因此，實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)品質(zhì)的本質(zhì)提升是重中之重，其對(duì)于提升太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器輸出功率、提高太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)化光束質(zhì)量及光譜調(diào)控至關(guān)重要。
透明陶瓷作為新一代固體激光器增益介質(zhì)，其在大尺寸制備、摻雜設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面相對(duì)單晶及玻璃介質(zhì)具有明顯優(yōu)勢(shì)。而通過(guò)上述分析可知，實(shí)現(xiàn)透明陶瓷介質(zhì)品質(zhì)的本質(zhì)提升是達(dá)成上述目標(biāo)的關(guān)鍵。在激光輸出功率提升方面，其核心在于采用具有大尺寸、低散射損耗、高熱導(dǎo)率的增益介質(zhì)；在太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化效率提升方面，其核心在于盡可能提高太陽(yáng)輻射能吸收量及能量轉(zhuǎn)化效率，因此需要在摻雜技術(shù)上有所突破；在光束質(zhì)量提升及光譜調(diào)控方面，其核心在于在材料結(jié)構(gòu)上有所突破。
目前，我國(guó)在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的研究方面與國(guó)際先進(jìn)領(lǐng)域雖然存在較大差距，但隨著我國(guó)在該方面研究的投入不斷加大，科研工作不斷深入，我們有理由相信，我國(guó)在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量激光輸出方面必將取得重大突破，使其在軍民應(yīng)用中造福人類的愿景成為現(xiàn)實(shí)。
通訊作者簡(jiǎn)介
陳浩，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，2013年于復(fù)旦大學(xué)獲得博士學(xué)位，江蘇省333高層次人才培養(yǎng)對(duì)象。長(zhǎng)期從事激光技術(shù)方面及特種陶瓷材料的研究及產(chǎn)業(yè)化工作。以第一／通訊作者在Opt. Lett., Opt. Express等國(guó)際期刊發(fā)表SCI論文60余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利及國(guó)際PCT專利總計(jì)80余項(xiàng)。近5年主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2項(xiàng)、國(guó)防科工局項(xiàng)目1項(xiàng)、徐州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃1項(xiàng)、企業(yè)橫向項(xiàng)目多項(xiàng)。作為主要工作完成人，獲得江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，徐州市科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，淮?？萍歼M(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)高校展區(qū)優(yōu)秀展品二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。1篇論文入選“中國(guó)精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文領(lǐng)跑者5000”。
團(tuán)隊(duì)核心人員簡(jiǎn)介
張樂(lè)，《發(fā)光學(xué)報(bào)》第一屆青年編委，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，2013年于南京工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，獲選江蘇省六大人才高峰、江蘇省科技服務(wù)“百優(yōu)人才”。主要從事光功能透明陶瓷的設(shè)計(jì)、制備與性能調(diào)控研究，及其成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化工作。以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)防科工局、國(guó)家自然基金等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目3項(xiàng)，省部級(jí)及企業(yè)委托項(xiàng)目4項(xiàng)，以研究骨干參與國(guó)防973、預(yù)研、省市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等。近5年，在Photo. Res.， J. Mater. Chem., J. Am. Ceram. Soc.等國(guó)際期刊發(fā)表論文47篇，其中第一作者和通訊作者發(fā)表SCI一區(qū)及二區(qū)TOP雜志32篇，綜述3篇。以第一發(fā)明人申請(qǐng)發(fā)明專利48項(xiàng)，已授權(quán)12項(xiàng)，成功實(shí)施科技成果轉(zhuǎn)化2項(xiàng)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門(mén)資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
