二极管泵浦高能激光的研究进展（2）

---转载自尚建力,王君涛,彭万敬等人2022年的文章

2高平均功率光纤激光

2.1高功率宽谱光纤激光器

高功率光纤激光器采用双包层的大模场掺镱光纤作为增益介质，具有亮度高、效率高、结构紧凑等优点。同时光纤本身表面体积比大，散热性能优，极大地改善激光器的稳定性和降低散热系统的复杂性，十分适合于先进制造、能源勘探、国家安全等领域的应用。自 2004年，英国南安普顿大学首次报道了 1.36kW 的单模连续激光的输出[25]。美国 IPG 公司先后于在 2009 年和 2013 年报道了单光纤单模 9.6kW和 20kW的光纤激光输出[26-27]。国内单高功率光纤激光器的研究也进展十分迅速。2019 年，中国科学院上海光学精密机械研究所基于 Al-P-Si三元光纤材料组分减小了镱离子的团簇效应，拉制出光暗化抑制和高发光效率的增益光纤，并采用自研光纤器件搭建了全光纤激光实验平台，获得 10.14kW的光纤激光输出[28]，实验结构图如图 10 所示。2021 年中国工程物理研究院化工材料研究所高功率光纤激光技术所地联合创新中心团队成功制备了“富磷少铝”抗光子暗化LMA-48/400-YDF激光光纤，清华大学光纤激光系统集成测试突破单纤20kW功率[29]。

不过，单纤功率的进一步提升受到 SRS 效应，模式不稳定，以及光纤热应力、热损伤效应的限制。在不考虑模式不稳定效应的情况下，美国利弗莫尔国家实验室[30] 和德国耶拿大学[31] 分别在半导体激光泵浦和级联泵浦的情况下做了模拟计算，结果显示，掺镱光纤激光器单纤所能达到的极限输出功率分别为 36.6kW 和 70kW，光纤激光器单纤存在输出理论上的阈值。

2.2高功率窄线宽保偏单纤激光器

由于光纤激光器单纤功率提升技术面临非线性、模式不稳定等多方面的瓶颈，为实现更高功率，更高光束质量的激光输出，多纤功率合成是目前公认的最具可实现性和有效性的手段之一。现有的多纤功率合成的主流方案为相干合成和光谱合成[32-34]。一方面，无论是光谱合成系统的高光谱功率密度要求，还是相干合成应用的高相干性要求，都需要高功率单纤激光的线宽尽可能窄。此时受激布里渊散射（SBS）效应[35] 的局限性随着单纤功率的提升愈发明显，综合考虑到多纤功率合成系统复杂程度、稳定性、合成效率等因素的影响，其输出线宽也不需要严格单频，线宽容忍度可达几十到百 GHz 量级[36-40]。另一方面，保偏单纤激光器具有很高的线偏振度，不仅保证了相干合成对子束相干性要求，也降低了光谱合成对合成器件的工艺要求，更适合作为合成子束。因而，高功率窄线宽保偏单纤激光作为一种特殊的高功率光纤激光器，是追求更高功率优质合成光纤激光的关键，近几年越来越被人们所重视。

2016年，美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室采用 PRBS 相位调制方法展宽单频种子源，基于自主研发的镀金高掺杂大模场掺镱光纤和双向泵浦的空间耦合结构，采用偏振控制技术实现功率3.1kW、线宽12GHz 的线偏振激光输出，偏振消光比为10dB，中心波长为1066nm，光束质量因子 M2＜1.15，实验结构如图 11 所示[41]。

2020 年，中国工程物理研究院应用电子学研究所将窄线宽线偏振光纤振荡器种子注入全保偏光纤放大器，实现功率为 3.08kW、线宽为 0.2nm 的线偏振光纤激光输出，偏振消光比约为 94%，光束质量因子 M2 小于1.45[42]。2021 年，基于 WNS 相位调制进一步优化光谱线宽，采取反向泵浦结构提高SBS 阈值，最终实现全光纤结构3.25kW近衍射极限线偏振激光输出，3dB 线宽约为 20GHz，偏振消光比为14.2dB，光束质量因子 M2 小于 1.3，其实验结构如图 12 所示，输出光谱和光束质量测量结果如图 13 所示，这是目前公开报道的基于全光纤结构窄线宽保偏光纤激光器最高输出功率[43]。

2.3多纤功率合成

现有的多纤功率合成方案主要分为相干合成和光谱合成[44-49]。相干合成采用的是多个相同线宽、波长、偏振的光纤激光进行功率合成，而光谱合成采用的是不同波长的窄线宽光纤激光器进行合成。

相干合成是指精确控制各路光束的相位，使多个相同波长子束以相干的方式实现功率叠加。按照各子单元合束方式的不同，相干合束可以分为共孔径合束和分孔径合束。分孔径相干合成指各子光束由分立孔径输出，在发射近场各路光束中心存在一定间距，而在发射远场各路光束进行有效的相干合成；美国麻省理工学院林肯实验室在 2014 年和 2015 年，使用相干合成方法，分别实现了 34kW 和 44kW 接近理想光束质量的激光输出（图 14）[44]。

共孔径相干合成指各子光束由一个共同的孔径发射，在发射近场各路光束中心完全重合，最终表现为一路激光输出。2015 年美国空军实验室利用 5 台 1.2kW 窄线宽保偏光纤激光器，通过 DOE 共孔径相干合成手段，实现了 4.9kW 单孔径光纤激光输出，M2～1.1，合成效率达到 82%，实验光路如图 15 所示[45]。

光谱合束可以看做是反向运用了色散过程，利用色散元件，将不同角度入射到色散元件的不同波长的光束实现同角度与共孔径的输出。根据合束系统中使用的色散元件的不同，可以分为基于双色片的光谱合束技术、基于体布拉格光栅的光谱合束技术和基于衍射光栅的光谱合束技术。其中基于双色片与基于体布拉格光栅的光谱合成技术都难以实现大阵列规模的合束，基于衍射光栅的光谱合成方案是当前的主流谱合成方案。

2016 年，洛克希德·马丁公司实现了 96 路的密集组束光谱合成，图 16为其所采用的光谱结构示意图，实现了总功率 30kW 的激光输出[46]，2017 年实现了 60kW 级的光纤光谱合成光源样机；2019 年将功率扩展为 150kW[47]。2019 年，中国航天科技集团采用基于透射式双光栅结构的光谱合束系统的设计，实现了六路激光的稳定合束，最终合束功率 10.6kW[48]。

2.4小结

一般的高功率光纤激光器无需考虑线宽和偏振等指标，单纤功率已经能够实现 20kW，但由于存在 SBS，SRS 效应，模式不稳定，以及光纤热应力、热损伤效应等因素的限制，现有基于双包层光纤的单纤功率理论上限不超过 70kW。

针对更高功率多纤功率合成的窄线宽子束需求，高功率窄线宽保偏光纤激光器技术成为了高功率光纤激光领域的研究热点。目前，20GHz 级窄线宽保偏光纤激光器的输出功率已经突破 3kW，并向更窄线宽、更高单纤功率展开探索，而这一过程中，此时 SBS 效应将会成为导致激光器功率上限的最关键因素。新的 SBS 抑制方式将是实现窄线宽保偏光纤激光器功率跨越的关键技术。

相干合成方案虽然在原理上可以在保证光谱纯度的前提下实现极高亮度的激光输出，但该合成技术对光源，合成元件，以及相位控制系统均提出了严格要求，研制难度大。光谱合成技术对色散元件的热稳定性也有严格要求，另外，由于单纤激光的工作波段有限（～40nm），因而合成路数不能无限增加，单纤功率直接限制了光谱合成的总功率上限。目前基于光谱合成技术最高可获得 150kW 激光输出，基于相干合成技术最高可获得 44kW 激光输出，正在研究与发展更高功率的光纤激光技术。

3碱金属蒸气激光器

3.1优势和难点

碱金属原子也具有极低的量子亏损，美国利弗莫尔国家实验室的 Krupke 最早申请了半导体泵浦碱金属蒸气激光器（DPALs）的专利，并提出了单口径 MW 级系统的概念设计。DPALs 以流动碱金属饱和蒸气做增益介质，以碱金属 D 双线分别作为泵浦上能级和激光上能级，形成三能级激光系统。但其能级结构上也决定了其产生高能激光存在着严重的技术困难，包括极窄的泵浦带宽（＜1nm），泵浦上能级和激光上能级间的弛豫困难等。

碱金属激光主要研究集中在 K，Rb 和 Cs 碱金属元素。碱金属原子能级结构相似，最外层均只有一个价电子。由于碱金属原子激发态与激光上能级间隔很小，使得碱金属激光跃迁具有极高的量子效率 (K为 99.6%，Rb为98.1%，Cs为 95.3%，固体 Nd：YAG为 76%，Yb：YAG 为 91%)。

以铷原子为例说明碱金属的能级结构，DPAL 是单个电子跃迁的三能级系统，中性碱金属原子有三个活跃的电子能级：基态能级 52S1/2，两个激发能级52P3/2和 52P1/2。在二极管泵浦下碱金属原子由基态 52S1/2跃迁到激发态52P3/2（泵浦上能级），在被激发原子发生自发辐射之前，它与缓冲气体碰撞被快速弛豫到最低的激发态 52P1/2（激光上能级）。受二极管的强泵浦产生了具有增益的粒子数反转，当它们以受激发射的方式由 52P1/2回到基态 52S1/2 时导致共振 D1 跃迁产生激光。

钾、铷和铯蒸气相关参数见表 2。其基本参数决定了碱金属激光器的一些基本物理性质、运行参数及不同路线的优缺点。这些基本参数决定了碱金属激光具有以下特点。（1）介质浓度随温度变化敏感；（2）自然线宽窄，需高压运行；（3）泵浦上能级到激光上能级的弛豫速率设计影响激光系统运行状态；（4）极短的能级寿命要求高强度泵浦和高强度提取；（5）高量子效率带来的强泵浦要求。

3.2发展概况

1999 年，Konefal 采用钛宝石激光器在添加乙烷缓冲气体的条件下对铷原子 D2 线进行光泵浦，观察到了放大自发辐射现象；并基于该实验结果进一步指出纵向泵浦的碱金属-分子气体放大器在理论上是可行的。在这一推动下，美国利弗莫尔国家实验室的 Krupke 等人于 2001 年首次提出半导体泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）的概念[49]，并于 2003 年利用功率为 500mW 连续输出的钛蓝宝石激光器做泵浦源，泵浦光波长 780nm，线宽为 50GHz，池内充入 69825Pa 的 He，9975Pa 的 C2H6 和 Rb 蒸气，系统工作温度维持在 (120±1)℃。实验得到波长为 795nm，功率为 30mW 的接近衍射极限的线偏振激光输出，激光器的斜率效率约为 54%[50]。

2005 年，美国空军军官学校的 Zhdanov 等采用谱宽 200kHz 的掺钛蓝宝石激光器端面泵浦 Cs 蒸气[51]。该实验充分优化了泵浦结构、工作温度和耦合输出率等参量，斜率效率高达 81%、实现了光光转换效率为 63% 的 0.35W高效激光输出。实验获得的效率已十分接近最大的理论斜率效率 85.8%，这是碱金属激光器研究到目前为止获得的最高斜率效率。

2008 年，通用原子的 Zweiback 等人利用橄榄石激光器作为泵浦源，光谱线宽（～0.2nm）与 VBG 耦合半导体泵浦源相当，脉宽（～300ns）相对于碱金属原子的弛豫时间可以模拟 CW 泵浦情形，单脉冲能量～40mJ，重复频率 10Hz，能够较好的模拟无热效应条件下高功率半导体泵浦的情形；利用此泵浦源实现了光-光效率 64%、斜率效率 72%的铷激光[52]，且在最高峰值功率 73kW（23kW/cm2）条件下输出激光能量保持良好的线性增长，这一结果说明 DPAL在高泵浦强度下不存在或至少不显著存在严重的负面寄生效应，其高功率定标放大不存在基础的物理限制。

2011 年，空军理工学院和空军研究实验室采用脉冲泵浦源对铷蒸气激光器在高泵浦强度下的动力学过程、铷原子循环时间，以及双光子过程等展开了深入研究；其中 Miller 等报道了铷蒸气激光器在 3.5MW/cm2 极端泵浦条件下（＞1000 倍阈值）的运转性能[53]，结果表明此时转换效率仍能达到 36%（相对吸收泵浦光子），瓶颈仅在于精细结构弛豫速率的不足，并且没有证据表明碰撞能量合并、电离以及其他非线性效应等导致了激光性能的下降。

2010 年 7 月，空军研究实验室首次成功实现了横向泵浦流动介质 DPAL，并将其命名为 FDPAL（flowingDPAL），标志着碱蒸气激光器的发展进入了功率提升的实质性阶段[54]。2012 年，俄联邦核物理中心（RussianFederalNuclearCenter）的科学家们采用弱压窄（线宽～0.7nm）的高功率半导体系统泵浦闭环流动（流速 20m/s）碱蒸气增益介质，成功实现了～1kW 的 CW 铯激光输出[55]，光光转换效率～48%，系统紧凑轻巧，循环流动系统体积仅为 3000cm3。

这是关于 FDPAL 系统性能首次公开报道的实验结果，充分验证了流动散热的有效性，并将功率推进至 kW 级水平，是 DPAL 发展中的重大突破和里程碑式成果。

LLNL 于 2015 年成功实现了 14kW 的铷激光 (图 17)[56]。2016 年 ，LLNL 获得了 MDA 约 1.6 亿的资助[57]，进一步将功率提升至 30kW[58]，并计划于 2019 年将功率提升至 120kW[59]。

3.3小结

碱金属激光对泵浦提出了远高于固体激光的要求，其一，其需要足够高的亮度实现三能级系统阈值；其二，必须实现快速的吸收和受激发射抑制极强的泵浦上能级自发辐射；其三，碱金属蒸气泵浦吸收带宽较常见固体激光增益材料低1 个量级；最后，碱金属蒸气无法形成类似块状固体的边界对泵浦光实现约束，长程均匀传输更加困难。在工程上，需要突破上述泵浦技术难题的同时，还需要解决高温、高压气体的受控流动和像差控制问题，以及光学元件在高温、高压、强光和腐蚀环境中的吸收和损伤问题，碱金属激光才可能实现高功率激光输出。从目前研究看，上述难题均为工程问题，并不存在物理层面的问题，随着近年来泵浦源技术的发展和相关工程技术的突破，碱金属激光输出功率水平将快速提升，并逐渐开始关注光束质量控制、构型优化和工程应用问题。碱金属激光技术途径有望实现单孔径谐振器 MW 级激光输出，并可实现与光纤激光相媲美的电光效率，远超现有各技术路线的紧凑轻量型，最终成为一种近乎理想的高能激光器。

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