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太陽光直接泵浦固體雷射器相對於傳統二極體泵浦雷射器具有能耗低、效率高等優勢，在大氣傳感、深空通信及國防安全等重要領域具有極大的應用潛力，戰略意義重大。因此，設計高效的陽光收集光學系統、選擇及開發對可見光波段具有高匹配度、高吸收量和高轉化效率的增益介質極為重要。
近日，江蘇師範大學陳浩教授團隊在《發光學報》發表了題為「太陽光直接泵浦固體雷射器研究進展」的綜述文章。
該綜述重點介紹了太陽光直接泵浦固體雷射器的陽光收集光學系統、增益介質及泵浦系統設計的國內外研究進展，揭示了其與雷射輸出質量及光轉化效率提升的定向關聯。提出在太陽光直接泵浦固體雷射器發展中，高匯聚效率及高功率的雷射輸出是核心研究目標，而高品質增益介質是實現上述目標的關鍵所在。最後，展望了太陽光直接泵浦固體雷射器的未來發展趨勢。
雷射技術可實現能量集中、單向傳播距離較長、輻射亮度高等功能，是目前最重要的科學技術手段之一，在醫療、環保、半導體和航空航天工業等領域具有廣泛的應用。與其他類型雷射器相比，固體雷射器更易於實現高峰值功率輸出，且結構簡單，可靠性好，在雷射應用領域一直處於主導地位。相對於LD泵浦，太陽光泵浦固體雷射器以太陽光作為泵浦源，能夠充分克服LD泵浦的固有缺陷，應用前景廣闊。在太陽光轉化效率方面，目前最成熟的光轉化方案是通過太陽能電池將太陽能轉化成電能，為半導體泵浦源提供能量；然後通過半導體泵浦源激勵增益介質，實現雷射輸出。然而該方式中較多的中間環節導致其光轉化效率最高僅為1.5%，且設備複雜、成本極高，遠無法滿足發展需求。因此，若採用太陽光直接泵浦增益介質方式，實現光-光直接轉化，必將有效克服上述缺陷，在大幅提升光轉化效率的同時，促進雷射系統的集成化，降低成本。
2 太陽光直接泵浦固體雷射器的雷射增益介質研究進展增益介質是固體雷射器的核心，其決定雷射輸出波長和光轉化效率。如前所述，太陽光的能量主要集中在可見光波段，增益介質只有同時滿足對可見光的高匹配度、高吸收量和高轉化效率，才能充分提高泵浦效率，實現高質量太陽光泵浦固體雷射輸出。因此，選擇和開發適用於太陽光直接泵浦固體雷射器的增益介質尤為關鍵。在太陽光直接泵浦固體雷射器中，玻璃及玻璃光纖、單晶和陶瓷是目前最常用的增益介質。
玻璃介質的優勢在於製備工藝簡單、易於實現大尺寸製備、摻雜均勻性好及散射損耗低，是太陽光直接泵浦固體雷射器的常用增益介質。其光學吸收、螢光壽命及量子效率等特性表明，其能夠充分提升太陽光直接泵浦固體雷射器的可靠性和性價比。然而，玻璃介質具有熱導率低、熱穩定性差、機械性能差等本徵缺陷，極大地限制了其在高功率太陽光直接泵浦固體雷射器中的應用。而採用先進拉絲技術，將塊狀玻璃介質製備成具有良好散熱性能的增益光纖，不僅能夠有效改善雷射介質在高功率雷射運轉過程中因溫度過高導致的轉換效率降低及光猝滅現象，而且能夠充分克服塊狀玻璃介質的缺陷，在太陽光直接泵浦固體雷射器方面應用前景廣闊。
因此，採用光纖作為太陽光直接泵浦固體雷射器增益介質在實現高功率雷射輸出方面具有極大潛力，並獲得了廣泛關注。但採用光纖介質在設計方面難度較大，如太陽光泵浦單束光纖需要儘可能追求小匯聚光斑，對太陽光收集系統要求極高。儘管採用組合光纖束方式能夠緩解上述問題，但極易造成較大的功率損耗，降低光輸出效率。此外，在太陽光直接泵浦光纖介質固體雷射器的理論研究及實驗模擬方面，鮮有深入分析報導，仍需進一步探索。
單晶具有散射損耗低、熱導率高、熱膨脹係數小、機械強度高和化學穩定性好等特性，有利於實現高功率、高效率雷射輸出，得到了廣泛研究。其中，Nd∶YAG晶體具有熔點高、量子效率高、抗蠕變能力強、透光範圍廣等優勢，其較低的聲子能量有利於抑制無輻射躍遷，提高雷射輸出效率。同時，Nd3+離子具有四能級結構，有利於降低雷射閾值，且Nd3+離子在可見光波段具有豐富的吸收帶，能夠實現對太陽光的有效吸收，成為目前最常用的太陽光直接泵浦固體雷射器增益介質。然而，Nd3+離子作為鑭系稀土離子，其電子躍遷屬於典型的f-f躍遷。由於Nd3+離子4f殼層內的電子受到5s25p6殼層的屏蔽，使其f-f躍遷受周圍晶體場的影響較小，導致了其窄線譜吸收特性，難以實現對寬譜帶、非相干特性的太陽光的高效吸收。而Cr3+離子在可見光波段具有寬範圍、強吸收特性，其吸收太陽輻射能力強於Ce3+離子，遠高於Nd3+離子，發射帶與Nd3+離子的吸收帶高度重合，因此可將吸收的太陽光能量有效地傳遞給Nd3+離子，實現Cr敏化太陽光泵浦固體雷射輸出。Cr3+-Nd3+離子間能量傳輸機制如圖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，目前能夠實現Cr,Nd共摻雜太陽光泵浦固體雷射器增益介質主要有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，但其發射截面和熱導率遠低於YAG，不利於連續高功率雷射運轉。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雷射器最常用的雷射增益介質，有將近60年的發展歷史，但依然存在製備成本高、能耗大、製備周期長(可達1個月)、均勻性差、難以實現大尺寸製備及高濃度摻雜等問題。上述問題迄今未能有效解決，極大地限制了其在太陽光泵浦雷射器中的實際應用。
相對於單晶材料，透明陶瓷作為新一代固體雷射增益介質，其僅通過高溫燒結原料粉體便能實現材料的緻密化，製備溫度遠低於材料熔點，製備周期僅為1周。同時，陶瓷材料以其多晶態本徵特性，易於實現高濃度、均勻化的離子摻雜。特別地，只有大尺寸的固體雷射增益介質才能夠真正實現其空天太陽光泵浦雷射應用，而透明陶瓷的尺寸僅取決於成型模具大小。透明陶瓷是目前固體雷射材料研究的熱點和重點，與雷射光纖一起被稱作是「最具有開發潛力的雷射材料」，發展前景廣闊。對於太陽光直接泵浦固體雷射器，目前常用的透明陶瓷基增益介質為Cr,Nd: YAG。Saiki等採用白光激發的方式，將Cr,Nd: YAG透明陶瓷雷射輸出功率突破千瓦量級，且光轉化效率高達63%，其雷射裝置圖如圖2所示。
圖2 採用太陽光泵浦Cr,Nd: YAG透明陶瓷提升輸出功率示意圖
實現高質量、適用於太空環境下的陶瓷基增益介質製備，對於突破太陽光直接泵浦雷射器長期發展的桎梏，滿足我國未來空天戰略需求意義重大。但從整體上來看，我國關於陶瓷基太陽光直接泵浦固體雷射器增益介質的研究仍在起步階段，相關雷射輸出的報導較少，與國外先進水平相比仍有差距。因此，我國仍需進一步加大對透明陶瓷的研發力度，方能滿足未來太陽光直接泵浦雷射器的實際發展需求，縮小與國外先進水平的差距。
對於太陽光直接泵浦固體雷射器，單一結構單晶或陶瓷介質在雷射運轉過程中，極易導致其熱量分布不均勻，造成熱透鏡效應，降低雷射輸出性能。採用鍵合結構單晶/陶瓷介質可有效改善雷射介質在雷射運轉時的熱效應，進而實現穩定的雷射輸出。不僅如此，鍵合結構固體雷射材料能夠通過多元化結構設計，實現固體雷射器的多功能應用，發展潛力巨大。北京理工大學採用直徑6 mm、長度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，實現了收集效率為32.1 W/m2、斜效率為5.4%、光轉換效率為3.3%的連續雷射輸出。然而，單晶材料之間的鍵合結合面強度較弱，極易產生空氣間隙造成光散射，降低雷射輸出性能。
圖3 泵浦腔與Nd: YAG/YAG鍵合晶體棒結合原理圖
相對於單晶鍵合技術，透明雷射陶瓷能夠採用高溫燒結技術，通過熱擴散方式消除鍵合面之間的縫隙，其在鍵合強度方面遠高於鍵合單晶介質，在固體雷射應用方面潛力巨大。目前，複合結構透明陶瓷已經成為固體雷射增益介質的主要發展方向之一。表1展示了不同結構的複合型Nd: YAG陶瓷的雷射輸出特性，也充分體現出複合結構透明陶瓷作為雷射增益介質的優勢。
表1 不同複合結構Nd: YAG透明陶瓷及其雷射特性
複合結構透明陶瓷介質在未來高功率雷射輸出方面具有無限潛力，其極大程度緩解了熱透鏡效應，且相比單晶，複合陶瓷在尺寸形狀變化、高摻雜濃度以及極端天氣應對方面具有很高的靈活性、均勻性與穩定性，在未來空天應用的無限潛力毋庸置疑。
太陽光直接泵浦固體雷射器的重要性已引起了極大關注，並取得較大進展，但仍然存在一些問題，如在雷射增益介質方面：（1）雷射單晶是太陽光泵浦固體雷射器最常用增益介質，但單晶製備過程複雜且無法實現高濃度均勻摻雜。因此，實現增益介質的製備工藝優化是實現高質量太陽光泵浦固體雷射輸出的基礎。
（2）太陽光的能量密度遠低於二極體泵浦光，實現對太陽光的有效吸收是實現高質量太陽光泵浦固體雷射輸出的前提。如前所述，截至目前，鮮有高濃度Cr離子摻雜增益介質的有效價態調控報導。
（3）宇宙空間中存在大量紫外線及高能射線，極易導致增益介質產生大量缺陷及色心。因此，如何充分調控增益介質製備工藝以實現其有效電荷補償，或採用多功能複合結構增益介質設計使其對高能射線造成有效屏蔽，進而充分克服高能射線的不利影響，是實現太陽光泵浦固體雷射器實際空天應用的重點和難點。
（4）由於技術條件限制，單晶難以實現大尺寸製備。儘管透明陶瓷介質的尺寸取決於模具大小，但實現其大尺寸製備仍然存在許多技術難題，主要體現在燒結時受熱不均勻、造成燒結收縮不一致甚至開裂。因此需要進一步優化陶瓷粉體流動性及分散性，以增加陶瓷素坯的微觀均勻性，提升陶瓷質量。
因此，實現增益介質品質的本質提升是重中之重，其對於提升太陽光直接泵浦固體雷射器輸出功率、提高太陽光轉化效率、優化光束質量及光譜調控至關重要。
透明陶瓷作為新一代固體雷射器增益介質，其在大尺寸製備、摻雜設計及結構設計等方面相對單晶及玻璃介質具有明顯優勢。而通過上述分析可知，實現透明陶瓷介質品質的本質提升是達成上述目標的關鍵。在雷射輸出功率提升方面，其核心在於採用具有大尺寸、低散射損耗、高熱導率的增益介質；在太陽光轉化效率提升方面，其核心在於儘可能提高太陽輻射能吸收量及能量轉化效率，因此需要在摻雜技術上有所突破；在光束質量提升及光譜調控方面，其核心在於在材料結構上有所突破。
目前，我國在太陽光直接泵浦固體雷射器的研究方面與國際先進領域雖然存在較大差距，但隨著我國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，我國在太陽光直接泵浦固體雷射器實現高質量雷射輸出方面必將取得重大突破，使其在軍民應用中造福人類的願景成為現實。
陳浩，博士，教授，碩士研究生導師，2013年於復旦大學獲得博士學位，江蘇省333高層次人才培養對象。長期從事雷射技術方面及特種陶瓷材料的研究及產業化工作。以第一／通訊作者在Opt. Lett., Opt. Express等國際期刊發表SCI論文60餘篇，申請國家發明專利及國際PCT專利總計80餘項。近5年主持國家自然科學基金項目2項、江蘇省重點研發計劃2項、國防科工局項目1項、徐州市重點研發計劃1項、企業橫向項目多項。作為主要工作完成人，獲得江蘇省科學技術獎三等獎1項，徐州市科技進步獎二等獎1項，淮海科技進步獎1項，中國國際工業博覽會高校展區優秀展品二等獎1項。1篇論文入選「中國精品科技期刊頂尖學術論文領跑者5000」。
張樂，《發光學報》第一屆青年編委，博士，教授，碩士研究生導師，2013年於南京工業大學獲得博士學位，獲選江蘇省六大人才高峰、江蘇省科技服務「百優人才」。主要從事光功能透明陶瓷的設計、製備與性能調控研究，及其成果轉化與產業化工作。以項目負責人承擔國防科工局、國家自然基金等國家級項目3項，省部級及企業委託項目4項，以研究骨幹參與國防973、預研、省市重點研發計劃等。近5年，在Photo. Res.， J. Mater. Chem., J. Am. Ceram. Soc.等國際期刊發表論文47篇，其中第一作者和通訊作者發表SCI一區及二區TOP雜誌32篇，綜述3篇。以第一發明人申請發明專利48項，已授權12項，成功實施科技成果轉化2項。
文章信息
袁明星, 周天元, 周偉, 等. 太陽光直接泵浦固體雷射器研究進展[J]. 發光學報, 2021, 42(1):10-27.
https://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200262
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這是中國光學發布的第1598篇，如果你覺得有幫助，轉發朋友圈是對我們最大的認可