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高功率固态激光技术：棒状到板条介质的转变

晶体 / 2023年12月8日

高能固体激光器前景是什么样的？

自1960年激光技术问世以来，固体激光技术取得了巨大的发展，其峰值功率领先于其他类型的激光器，已达到1014瓦。尤其是在激光核聚变领域，利用固体激光器高峰值功率这一性质，激光核聚变研究得到重大突破。进入21世纪，特别是在美国军方联合高功率固体激光器（JHPSSL）和全电驱动鲁棒激光计划（RELI）项目支持下，利用大功率半导体泵浦的新型激光技术（如板条激光、盘片激光、光纤激光）在输出功率和效率方面都实现了显著的提高。得益于工业界对先进激光制造技术的需求，半导体泵浦的全固态激光器迎来了其发展的黄金时期。高能固体激光器在工业、医疗、军事和科学研究等多个领域发挥着重要作用。

图1 高能固体激光设备发展历程

图1.高能固体激光设备发展历程

工业

在工业制造领域，高能固体激光器可用于切割、焊接、材料加工等。它们的高精度和高效率使得生产过程更为高效和经济，特别适用于需要精密加工的高科技领域。

医疗

在医疗领域，高能固体激光器可用于眼科手术、肿瘤治疗、皮肤疾病治疗等。它们提供了一种非侵入性的治疗方式，可以减少手术风险并提高治疗效果。

军事

在军事领域，高能固体激光器用于精确打击、空中和海上防御系统、以及侦察任务。它们提供了一种高精度、快速响应的作战手段，可以有效增强防御能力并提高战场上的战略灵活性。这种激光技术使得军队能够在不同的环境中，如地面、空中和海上，迅速准确地定位并中和威胁。此外，高能激光器在目标识别、距离测量以及敌方电子设备的干扰和破坏方面也发挥着关键作用，成为现代战争中不可或缺的高科技武器。

科学研究

高能固体激光器在物理、化学等科学研究中也扮演着重要角色。它们可用于研究物质的基本性质，如通过激光诱导的核聚变实验来探索能源的新形式。

高能固体激光器在发展中遇到的问题是什么？

高平均功率固体激光技术的发展历程，始终围绕两大核心主题：一是提升激光器的输出功率，二是改善激光光束的质量因子。然而，这两个目标往往存在相互制约的关系。具体而言，在高功率泵浦的操作条件下，激光增益介质产生的废热会从其表面散发，形成温度梯度。这种温度分布不均导致了热光畸变现象，从而恶化了输出激光的光束质量。此外，增益材料本身承受的热负载也是其热应力极限的一个关键决定因素。这种热应力极限直接影响到材料的尺寸和能量存储能力，进而对激光器的最大输出功率造成限制。

图2.固体激光构型——棒状激光增益介质

图2.固体激光构型——棒状激光增益介质

二极管泵浦的全固态激光器以其高效率、良好的光束质量、稳定的工作性能、小巧的体积、低廉的成本和简便的维护方式而备受青睐。这类激光器已在激光加工、科学研究及国防防御等多个领域得到了广泛应用。然而，这种激光器通常采用的传统圆棒状激光增益介质在冷却过程中产生的径向温度梯度带来了一系列的热效应问题，如热透镜现象和应力退偏等。这些热效应最终导致激光器的输出功率下降和光束质量降低，从而限制了这类激光器向更高平均功率发展的可能性。

热透镜效应

晶体总热透镜效应包括温度梯度，应力双折射和端面形变三部分热透镜效。当激光晶体受到大功率密度泵浦时泵浦光的聚焦时，晶体内部产生高能量密度，导致晶体端面形变变得更加明显，这在总的热透镜效应中占据了越来越重要的比例

  • 温度梯度产生的热透镜效应，源于增益介质吸收泵浦光能量后，产生的空间不均匀的径向温度梯度分布。这种温度分布的不均匀性导致轴向热应力空间分布的产生。由于晶体内部的径向温度梯度和轴向热应力的共同作用，激光晶体内的折射率随温度变化，光学上表现为一个具有梯度折射率的透镜。
  • 热应力双折射产生的热透镜效应，是由于增益晶体中温度的非均匀分布所产生的热应力。这种热应力通过光弹效应改变折射率，使原本各向同性的晶体材料变成各向异性，导致双折射的发生；或者对于本就具有各向异性的材料改变其原有的双折射特性。这就是热致应力双折射效应。
  • 端面形变产生的热透镜效应，是由于端面泵浦增益介质引起激光晶体内的温度积累和非均匀分布。由于固体材料固有的热胀冷缩特性，晶体产生非定向的形变。同时，由于晶体晶格的连续排列和热传导作用，晶体端面会产生非线性的膨胀形变，从而形成热透镜效应。

针对热效应影响的解决方案是什么？

为了解决高能固体激光器中热效应带来的影响，科研人员提出了多种新型激光介质构型，包括板条型、薄片型和光纤型激光器等。特别是板条型激光器，它采用“之”字形光路传输激光，有效地消除了一阶热聚焦和热致双折射效应。这种设计显著改善了光束波前的均匀性，相比于传统棒状激光器，实现了更优秀的光束质量和更高的输出功率。

“之”字形的板条构型如下图所示。在此构型中，激光光束通过全内反射在板条内部传输，并以“之”字形路径提取能量。这种构型可以被视为多个激活镜串联的结果，它不仅提供了高效的能量提取和紧凑的结构设计，还允许两个大面同时作为泵浦和散热的窗口，进一步增强了激光器的性能和效率。通过这样的设计，板条型激光器在处理热效应方面具有显著的优势，为固体激光技术的发展提供了新的方向。

图3.之字形板条

图3.之字形板条

板条激光器发展历程

自1972年Martin提出板条构型以来，该领域的研究工作取得了显著进展。研究人员采用了多种泵浦技术，包括二极管激光器的侧泵浦、端泵浦和角泵浦等，实现了重大的技术突破。

在2000年，HagopInjeyan等人基于板条激光器的原理，结合传导冷却和端面抽运技术，提出了CCEPS（Conduction Cooled End-Pumped Slab）激光器的方案。紧接着在2001年，StephenPalese等人将CCEPS（Conduction Cooled End-Pumped Slab）作为放大器使用，成功获得了150W的线偏振输出，且光束质量M2值为1.25。2005年，诺格公司在CCEPS的基础上开发出VESTA系统，该系统由四个输出功率高达5kW的CCEPS放大器组成，光束质量达到了1.3倍衍射极限，并且在稳定运行20分钟后光束质量没有明显下降。

随着板条激光器技术的不断发展和完善，特别是在高亮度泵浦耦合、高效散热和端面形变等关键问题的逐步解决上，板条激光首次实现了100kW的输出功率，并逐渐成为高平均功率固体激光技术的代表性方案。这些成就标志着板条激光器技术在固体激光领域的重要地位，为未来更高功率、更高效率的固体激光器的研发奠定了坚实的基础。

板条放大概述

板条放大器，全称是“板条状几何结构激光器”(简称SGL)，是一种特殊的固体激光器。它的外形呈板条状，工作时激光沿着介质长度方向行进。这种放大器的功率水平是最高的，世界上仅有的两例功率突破百千瓦的固体激光系统均采用了板条结构。

其优点是：体积小、结构简单，增大了散热面积、降低了激光介质的温度、改变了热流的方向、改变了激光通过工作物质时所受的影响，从而可能获得高能量、高功率、高光束质量的激光输出。虽然激光介质形状改变了，但其激光介质本身的激发跃迁特性没有改变。

板条放大激光器使用的增益介质主要包括以下几种：

  1. 钕掺杂的晶体：如钕掺杂的钇铝石榴石（Nd:YAG）。这是最常见的增益介质之一，因其良好的热性能和高效的激光输出而广泛使用。
  2. Yb（镱）掺杂材料：如镱掺杂的玻璃或晶体（例如Yb:YAG）。镱掺杂材料在高功率应用中特别受欢迎，因为它们具有较低的热负荷和较宽的吸收带宽。
  3. 掺铒或掺钪的玻璃：这些材料用于某些特定波长的激光输出，具有独特的光谱特性。
  4. 其他稀土元素掺杂的晶体：如掺钬（Ho）、掺铥（Tm）和掺铒（Er）的晶体，这些通常用于特定波长的应用。

每种增益介质都有其独特的特性，如吸收和发射波长、热导率和上转换效率等，这些特性决定了其在不同类型的板条放大激光器中的适用性。在设计板条放大激光器时，会根据所需的输出功率、波长、光束质量和系统效率等因素来选择合适的增益介质。

板条放大研究历程

从早期的固体激光技术的高平均功率发展开始，一直集中在提高功率和改善光束质量这两个主要方向，但这两者之间存在相互制约的关系。在高功率泵浦负载下，增益介质表面会散发出大量的废热，从而产生温度梯度并引发热光畸变，这会降低输出激光的光束质量。

在板条激光的早期发展阶段，由于受到闪光灯亮度的限制，主要采用双大面泵浦的方式来实现高功率泵浦(图4)。但这种方式存在几个问题：(1)由于泵浦强度不足，常温下只能选择Nd:YAG作为增益介质；(2)为了透过泵浦光，板条的两个冷却面只能使用水冷，这限制了冷却能力；(3)板条必须高掺杂，以便有效吸收泵浦光，对于Nd:YAG板条，这可能会导致严重的浓度淬灭效应。

图4连续波泵浦板条激光技术示意图

图4.连续波泵浦板条激光技术示意图

到1972年，Martin和Chernock首先提出依靠激光在板条内走“之”字光路来解决板条大面积冷却带来的本征光学畸变问题。传统的圆棒状激光增益介质在冷却过程中产生径向温度梯度(图5)，由此带来热透镜、应力退偏等热效应，最终导致输出功率下降，光束质量降低。为了降低固体激光中热畸变的影响先后发展出了薄片激光(图6)和“之”字光路板条激光(图7)。后两者的基本思想是在激光提取过程中，激光传播方向的某一方向分量与温度梯度方向重合；这样，光束波前在一阶近似的条件下，不会受到温度梯度的影响。1989年，Kuchar建议将板条焊接在金属热沉上进行传导冷却，但这导致板条端面由于泵浦光吸收而形变，影响光束质量。

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图5

图6

图7

图567.固体激光构型改变对热光畸变的改善

这个问题在2000年通过在板条两端键合无掺杂的YAG晶体得以解决。Gruman公司在2005年采用主振荡器+放大器（MOPA）结构，通过角度选通技术在其放大链路中实现了12.5kW的激光输出，有效平衡了各放大模块间的激光通量，实现了近似的能量提取。2007年，输出功率被进一步提升到15.3kW，电光转换效率19.3%，采用自适应光学主动控制后光束质量达到1.58倍衍射极限，并最终在2009年通过7条MOPA链路的相干合成实现105kW激光输出。

除面泵浦和端泵浦方案外，板条激光在其发展历史中还尝试过边缘泵浦方案，但泵浦光沿板条宽度方向的指数吸收导致的温度梯度带来难以解决的光学畸变。它导致的热透镜效应随着激光的放大光程的增加变得越来越严重，所以现代高平均功率板条激光基本不采用边缘泵浦方案。

总之，为了提升激光的平均功率，科研学者们起初采用闪光灯泵浦，后发展为双大面泵浦，但面临多重限制，如泵浦亮度、冷却效率和掺杂浓度等。采用低掺杂板条、金属热沉的传导冷却、端面泵浦、端面键合无掺杂YAG晶体等解决方案，逐步提高了泵浦效率和光束质量。2005年实现了12.5kW输出的重要突破，后续通过MOPA结构和相干合成技术进一步提升到105kW。

板条介质都有哪些

固态激光增益介质主要分为两类：玻璃和晶体。在这两者中，玻璃基质材料的一个显著优势是它可以制造成非常大的体积。这一特性在高功率激光操作中尤为重要，因为它能够提供更强大的能量输出。相比之下，玻璃基质材料在激光材料应用方面还展示了其他几个优点：它的吸收谱线范围比晶体基质更广，提供了更灵活的激光波长选择；此外，玻璃基质在掺杂均匀性和光学质量方面也通常优于晶体。

另一方面，以晶体作为工作物质的基质也拥有其独特的优点。晶体材料通常具有更高的硬度，这使得它们在物理强度方面更为可靠。晶体的荧光谱线较窄，有利于产生更精确和清晰的激光输出。而且，晶体的热导率较高，这意味着在高功率操作下它们能更有效地管理热量，减少热引起的性能下降。

总的来说，选择玻璃还是晶体作为激光增益介质，取决于具体的应用需求和激光器设计。每种材料都有其独特的属性和优势，能够在不同的激光系统中发挥重要作用。

激光晶体

激光晶体的活化主要依赖于其中掺杂的离子类型，这些离子一般分为过渡族金属离子（如铬（Cr3+）、钛（Ti3+）、镍（Ni2+）、钴（Co2+））、稀土离子（包括钕（Nd3+）、铒（Er3+）、钬（Ho3+）、镨（Pr3+）、钆（Gd3+）、铕（Eu3+）、镱（Yb3+）、钐（Sm2+）、镝（Dy2+）、铥（Tm2+））和锕系离子（如铀（U3+））。在目前已发现的300多种激光晶体中，超过90%的晶体是掺杂稀土元素作为活化离子。从实际应用的角度来看，最常用的包括掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）、掺钕矾酸钇（Nd:YVO4）和掺钛蓝宝石（Ti:Al2O3），这三种被广泛认为是“激光晶体的三大基石”。

每种晶体因其独特的物理和光学特性而适用于不同的应用场景。例如，Nd:YAG晶体因其高功率输出的能力，通常被选为高功率激光器的首选材料。而在低功率和小型化激光器的设计中，Nd:YVO4因其高效率和较小的尺寸而受到青睐。对于那些需要超快速和可调谐光源的应用，如某些科研和医疗领域，Ti:Al2O3晶体则是理想的选择。

1. Nd:YAG

Nd:YAG（钕掺杂钇铝石榴石）不仅是最早被发现和最知名的激光晶体之一，也是目前应用最广泛的激光材料。无论在小型、中型还是大型功率范畴，或是在Q开关和锁模超短脉冲激光等专门应用中，Nd:YAG都是首选的激光工作物质。它可以用于二极管泵浦全固态微小型激光器中,得到的红、绿、蓝色高质量的连续激光输出。此外，Nd:YAG还广泛应用于军事、科研、医疗和工业领域，包括各种规格的测距仪、光电对抗设备系统、高性能激光仪器、激光治疗设备、美容仪器、激光打标机和打孔机等激光加工设备。

图8.Nd:YAG晶体

规格

1.杜克明等人于上世纪末首次提出Innoslab混合腔板条激光器。装置板条晶体采用Nd:YAG材料，掺杂浓度为1at.%，尺寸为16mm*8mm*3mm。

2.2001年Stanford University的T.S.Rutherford，W.M.Tulloch等使用Nd:YAG作为工作介质，LD侧边泵浦的板条激光器。其中Nd:YAG晶体的掺杂浓度为1at％，尺寸为1.45mm×4.75mm×35.7mm。

3.2023年张兴虎等报道了一种高功率准连续运转的全固态Nd∶YAG激光器。采用横截面为梯形，掺杂浓度为0.9%的Nd∶YAG板条晶体通过下大面焊接在微通道冷却热沉上。板条晶体的下大面尺寸为96mm×30mm，上大面尺寸为92mm×30mm，板条厚度为3mm。

图9 实验光路示意图

图9.实验光路示意图

2. Nd:YVO4

增益介质的材料中，Nd:YVO4的受激发射截面大，比Nd:YAG大五倍，对808nm波长的泵浦光有极高的吸收系数。同时泵浦吸收和偏振有关，激光输出沿着特殊的方向线性偏振，Nd:YVO4晶体对泵浦的吸收是Nd:YVO4的四倍，避免了多余的热致双折射效应的影响。而旦Nd:YVO4晶体的增益谱线更宽，更能适应二极管激光器温度变化时带来的泵浦光波长变化。由于这些优势，Nd:YVO4被广泛应用于需要高效率和稳定性的激光系统中，如精密测量、激光打标、医疗设备、光谱分析和科研实验等领域。其能够提供高质量的激光输出，同时保持较低的热损耗，使其成为现代激光技术中不可或缺的一部分。

规格

1.根据2003年夫朗和费激光技术所公布的资料，利用掺杂浓度为0.3%，尺寸为1mm×10mm×12mm的Nd:YVO4晶体，已经获得了110w近衍射极限高光束质量的1064nmTEM00模连续激光输出，在两个正交方向上的光束质量因子M2分别为1.3和1.5，光-光转换效率为48％，斜效率为59％，并成功地调Q获得大功率、高光束质量、高重复率、窄脉冲激光输出。

2.2017年，唐超等研究了三通掠入射Nd:YVO４板条激光放大器。板条结构示意图如图2所示.坐标原点O位于板条的中心位置，x为板条宽度方向(宽度为w)，y为板条厚度方向(厚度为h)，z为板条长度方向(长度为d)，抽运面为前侧面(面积为d×h)。板条为沿c轴切割的Nd:YVO４晶体,掺杂浓度为１％(原子数分数)，尺寸(d×w×h)为20mm×5mm×0.8mm。

图10.Nd∶YVO４板条激光和抽运光几何参数.(a)板条结构示意图;(b)yOz面上抽运区域;(c)xOz面上种子光在抽运面发生全反射

图10.Nd∶YVO４板条激光和抽运光几何参数。(a)板条结构示意图；(b)yOz面上抽运区域；(c)xOz面上种子光在抽运面发生全反射

3. Yb:YAG

Yb:YAG是另一种流行的固态激光材料，因其高效率和低热负荷而受到青睐。它的主要输出波长为1030nm，特别适合用于高功率和高能量的板条激光器。Yb:YAG的热导率较高，热效应较小，这使得它在连续或高重复率脉冲操作中表现出色。随着二极管泵浦亮度的提升，相较于Nd:YAG激光晶体，Yb:YAG在高功率激光系统中显示出更大的优势。Yb:YAG在室温条件下能级结构为准三能级结构（无上能级转换），具有量子亏损低（仅为9%）、吸收光谱和发射光谱宽等特点。综合这些特性，Yb:YAG在许多高端应用中成为了首选材料，如用于产生高功率激光的科研实验、工业加工、医疗手术和军事设备等领域。这些优点使Yb:YAG成为现代激光技术的重要组成部分，预计在未来的技术发展中将继续扮演关键角色。

图11.Yb:YAG晶体

规格

2022年张锋宸等在实验中Yb∶YAG板条激光晶体的尺寸为1mm×10mm×5mm，掺杂浓度(原子数分数)为5%，激光晶体的两端面均镀有波长在1020~1060nm之间的增透膜，激光晶体用铟箔包裹并安装在具有TEC(Thermo Electric Cooler)的铜块上，控制冷却温度为25℃。

激光玻璃

激光玻璃由基质玻璃和激活离子构成。激光玻璃的各种物理化学性质主要取决于基质玻璃，而它的光谱特性主要由激活离子决定，但它们之间也存在相互联系和影响。

1. 铒玻璃

目前，1.5μm波段的人眼安全激光光源多为掺铒光纤激光器，但由于光纤中的非线性效应，很难获得较大能量的激光输出，其输出能量限制在百微焦量级。与掺铒的光纤介质相比，铒镱共掺磷酸盐玻璃是可输出1.5μm波段激光的固体材料，有望获得大能量的激光输出。然而磷酸盐玻璃具有较大的热膨胀系数和较低的热断裂极限，更容易发生热损伤,这些是目前限制Er,Yb∶glass激光器输出大能量激光的主要原因。与1μm波段的激光介质相比，1.5μm波段的Er,Yb∶glass的受激发射截面较小，热效应严重。与棒状激光介质相比，板条结构可以提供更大的冷却表面。

Er Yb Glass

图12.铒玻璃

规格

1.2022年张可欣等设计了一款LD阵列泵浦的铒镱共掺磷酸盐玻璃(Er,Yb∶glass)板条放大器。Er,Yb∶glass板条结构如图所示,板条长度为30mm，宽度5mm,厚度1mm。Er,Yb∶glass中Er3+和Yb3+的质量分数确定为0.52%和22%。

图13 Er,Yb∶glass板条结构模型

图13.Er,Yb∶glass板条结构模型

2. 钕玻璃

钕玻璃（Nd:Glass）是一种重要的激光材料，主要用于制造高能量激光器。这种材料的主要特点是掺有钕（Nd³⁺）离子的非晶态玻璃基质。钕玻璃激光器自从20世纪60年代首次被开发以来，就在许多领域发挥了重要作用，特别是在科研、军事和医疗应用中。另外，玻璃易获得良好的光学均匀性，形状和尺寸可自由选择。大钕玻璃棒长达2m，直径为100mm，制成巨脉冲能量器件，还有直径达90cm、厚度为5cm的叠片，小的仅只有数微米直径的玻璃光纤，用于集成光路中作光振荡及放大。

规格

1.2009年成洪玲使用的激光介质是八板条辐射状钕玻璃，它是由直径为30mm的钕玻璃棒切割加工而成，掺杂浓度为3%，一个表面镀增透膜，另外一个表面镀反射率>99%的反射膜，见图6；每一个板条的尺寸为100mm*30mm*4mm。

图14八板条辐射状钕玻璃

图14.八板条辐射状钕玻璃

2.1995年，美国劳伦斯利佛莫尔国家实验室的C.B.Dane等人利用尺寸大小为14cm×1cm×40cm的钕玻璃板条作为系统的放大介质，并利用SBS相位共轭镜修正波前畸变，得到了脉冲能量25-30J，脉宽14ns，平均输出功率150W的近衍射极限输出。

3.1997年，美国罗彻斯特大学的MiltonJ.等人报道了一种布儒斯特角的钕玻璃板条放大器，板条尺寸为31.0cm×8.0cm×1.1cm。

4.2008年，日本大阪大学的RyoYasuhara等人报道了他们的高脉冲能量高峰值功率激光系统。系统平均输出功率213W，重复频率10Hz，脉宽8.9ns，峰值达到2.4GW。其系统结构如图7所示。系统的主放大器为两个激光二极管泵浦的钕玻璃板条，板条尺寸为5cm×1cm×37.5cm。

图15 采用TECS技术和SBS相位共轭镜的二极管泵浦钕玻璃板条激光系统

图15.采用TECS技术和SBS相位共轭镜的二极管泵浦钕玻璃板条激光系统

键合晶体

1. YVO4+Nd:YVO4+YVO4

Nd:YVO4的热导率为11.7W/cm/°K@25°C，纯YVO4晶体的热导率为//C:5.23W/m/K；⊥C:5.10W/m/K，两端键合形成YVO4+Nd:YVO4+YVO4键合晶体，可以有效改善Nd:YVO4晶体的热效应，降低激光泵浦时形成的热透镜效应，改善激光的光束质量，提升457nm、671nm激光输出效率，并能提升激光器的输出能力稳定性，提升激光器的使用寿命。
规格

1.2023年宋越等提出了一种高光束质量、窄纳秒脉宽、高重复频率脉冲串输出的电光调Q激光器。通过优化键合Nd∶YVO4板条晶体掺杂区域的纵横比，结合腔模的最佳设计，限制腔内的高阶模式振荡，获得了两方向相近的高光束质量激光输出。所用板条晶体为YVO4/Nd∶YVO4/YVO4键合晶体，晶体结构如图16所示。

图16.Nd∶YVO4板条晶体几何结构示意图

图16.Nd∶YVO4板条晶体几何结构示意图

晶体大面长度L2为12.78mm，大面的边长L1为11.36mm，w2为5mm，w1=h=1.0mm，厚度t为0.71mm。

Nd∶YVO4晶体沿a轴切割，掺杂Nd3+的原子数分数为2%，掺杂区域两侧分别键合有2mm宽的非掺杂YVO4晶体，目的是增加板条晶体的散热面积和约束泵浦区域。

板条激光晶体材料厂商

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图18.EKSMAOptics

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图19.Optogama

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图20.福晶科技logo

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Laserton是一家专业生产激光晶体、非线性晶体和各种精密光学元件的制造商。可以利用直拉技术生长大直径激光晶体，能提供Nd:YAG、Ce:YAG、Cr4+:YAG、Er:YAG、Nd:YVO4、Yb:YVO4等激光晶体。我们的光学晶体具有良好的光学均匀性。我们可以提供BBO、KTA、KDP、LBO、SBN、KDP、LiNbO3非线性晶体。此外，我们还提供具有高损伤阈值和低半波电压的电光KTP和RTP晶体，用于Q开关应用。

参考文献：

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