高亮度固體雷射器技術發展研究

一、前言

高亮度雷射技術是指高功率、高光束質量的雷射產生、傳輸與控制技術，高亮度固體雷射器技術特指以固體材料為增益介質的雷射產生技術。隨著工業加工、國防裝備等領域對高功率、高光束質量雷射的需求持續加大，高亮度固體雷射器因其潛在的經濟和軍事價值而吸引著學術界和工程界的研究興趣與探索熱情。

從增益介質構型的角度來看，高亮度固體雷射器主要分為板條、薄片、光纖等類別。板條雷射器和光纖雷射器因其突出優點而成為高亮度固體雷射器領域的熱點研究方向。板條雷射器技術最早實現了百千瓦級高亮度雷射輸出，經過一段時間的技術沉澱，近期陸續實現了新的技術突破。光纖雷射器技術單纖受限於物理極限，輸出功率止步於數十千瓦量級（2013 年實現最高單纖 20 kW 輸出），而合成技術進一步提升了輸出功率。

本文從高亮度固體雷射器的宏觀需求出發，梳理國內外具有代表性的、體現前沿水平的高亮度固體雷射器技術及其發展趨勢，提出實現兆瓦級以上功率雷射輸出的優選技術路徑，針對領域發展瓶頸論證關鍵技術及其攻關路徑，還就我國高亮度固體雷射器領域的未來發展提出對策建議。

二、高亮度固體雷射器技術宏觀需求

1. 雷射推進

傳統的航天發射依賴大型運載火箭。由於化學推進劑的能量密度不高，使得運載火箭的質量構成以推進劑為主要方面，相應入軌有效載荷佔比僅為1.5% 左右、發射成本高達 10 000 美元/kg。作為未來新的航天發射方式，雷射推進利用雷射與工質相互作用產生的等離子體爆炸氣團來進行驅動，有效載荷佔比可達 15% [1]，估算發射成本較常規方式可降低兩個數量級；同時由於採用非含能工質，航天發射的安全性顯著改善。根據雷射推進的工程應用設想 [2]，採用平均功率為 350 MW 的脈衝雷射器，可以將 1000 kg 有效載荷發射至近地球軌道。

2. 雷射無線能量傳輸

雷射具有單色性好、方向性強、能量集中等突出特徵，可以較高效率將光能遠距離地傳輸到配備有光電轉換器件的用電設備上，從而實現無線能量傳輸。雷射作為載體進行能量傳輸，所需設備的體積和質量僅為微波類設備的 1/10，且不幹擾微波通信信號。無人機、微型飛行器、微型衛星、空間探測器、無線傳感網絡等移動負載對新型能源供給方式提出迫切需求，因而雷射傳能應用潛力巨大。

3. 雷射器軍事應用

利用定向發射的高能雷射光束持續聚焦在目標表面來摧毀目標或使之失效，這是雷射器軍事應用的重要方面。這類應用模式具有打擊無延遲、作戰成本低、反應速度快、附帶損傷小、抗電磁幹擾能力強、兼顧軟硬殺傷等獨特優勢。常規戰場打擊火力密度和效能不足的問題較為突出，而雷射器軍事應用有望改變傳統火力交戰模式，被視為改變未來戰爭形態和作戰概念的顛覆性技術。

三、高亮度固體雷射器技術發展現狀

（一）國外發展現狀

1. 板條雷射器

板條雷射器採用薄板狀結構增益介質，雷射激射在增益介質長度方向，而散熱在增益介質厚度方向，由此實現高功率、高能量連續或脈衝雷射輸出，光束質量優良。2009 年，美國諾斯羅普 · 格魯曼公司發布了 7 路傳導冷卻端面泵浦板條（CCEPS）相干合成雷射輸出的實驗結果：輸出功率為 105.5 kW，光束質量 BQ 因子小於 3，電光轉換效率達 19.3%，從零到滿負荷輸出的時間僅為 0.6 s，累計運行時間超過 85 min [3,4]。這一實驗成為高亮度固體雷射器發展的裡程碑。2010 年，美國達信公司發布了有關定向能武器（J-HPSSL）的階段性研究進展，在浸入式板條（ThinZag）雷射的單孔徑實驗室中獲得了平均功率超過 100 kW 的輸出 [5]。

2. 薄片雷射器

薄片雷射器的增益介質為片狀結構，散熱和雷射傳輸均在增益介質厚度方向，因而散熱路徑短、通光孔徑大，可實現高功率、高能量的連續或脈衝雷射輸出。2012 年，美國波音公司集成了德國Yb:YAG 薄片技術，通過多個碟片組合獲得了功率為30 kW 的雷射輸出，電光效率大於 30%；主要技術指標達到了耐用電子雷射器倡議（RELI）第一階段要求，後續開展 50~100 kW 雷射器系統研製 [6]。美國通用原子 – 航空系統公司提出技術方案：將數十至上百片的薄片雷射介質直接浸入冷卻液中，使用亞微米尺度的流體通道來進行雷射介質的高效散熱冷卻；2010 年實現了單模塊 60 kW 功率輸出，2015 年實現兩模塊 150 kW 功率輸出，完成了基於相關技術途徑的 800 kW 功率輸出概念設計 [7]。

3. 光纖雷射器

光纖雷射器以可柔性操作的摻雜光纖作為增益介質，光束質量優良、電光效率高（約 40%），易於散熱、可靠性好、適裝性強。單纖雷射功率輸出存在上限（理論值為數萬瓦），需要通過相干 / 偏振 /光譜 / 色譜 / 空間等多種合成方式來實現更高功率輸出。美國 IPG 公司 2009 年獲得了 10 kW 功率的光纖雷射輸出；2012 年採用 1018 nm 泵浦並基於主振蕩功率放大器（MOPA）結構實現了 17 kW 功率1075 nm 雷射輸出，光光轉換效率達到 94%，輸出光纖纖芯直徑為 50 μm，輸出光束質量 M2 因子為 2；2013 年實現了單纖 20 kW 功率的雷射輸出 [8]。美國洛克希德 · 馬丁公司 2015 年採用光譜合成的方式實現了高光束質量雷射輸出，合成功率達到30 kW；2017 年實現了 60 kW 級的光纖光譜合成光源樣機；2019 年實現了 150 kW 級光纖光譜合成雷射輸出 [9]。

（二）國內發展現狀

目前，我國高亮度固體雷射器技術的研究集中在板條和光纖兩方面。

1. 板條雷射器

我國在 20 世紀 90 年代開始了板條雷射器技術的研究。中國電子科技集團有限公司第十一研究所 2008 年採用 MOPA 結構實現了功率為 11 kW 的板條雷射輸出 [10]，這是國內首次實現萬瓦以上雷射輸出；2018 年利用表層增益板條單模塊雙程放大方式實現了功率為 2.6 kW 的雷射輸出 [11]。2018 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所採用分段摻雜板條獲得功率為 20 kW 的雷射輸出 [12]。2019 年，中國科學院理化技術研究所採用常規大尺寸板條在低溫深冷條件下獲得功率為60 kW 的雷射輸出 [13]。

2. 光纖雷射器

關於高功率光纖雷射器，國內較多機構開展了深入研究，在基礎理論和工程技術方面形成了良好積累。中國工程物理研究院雷射聚變研究中心 2017 年設計了 976 nm 直接單端抽運的單纖雷射系統，採用全國產光纖材料和光纖器件實現了單纖雷射系統的 10.6 kW 功率輸出 [14]；2018 年採用長距離分布式側面泵浦技術，基於 MOPA 結構實現了最高功率為 11.23 kW 的穩定雷射輸出，其斜率效率為 82.5% [15]。2017 年，清華大學採用單一種子源，通過雙向泵浦結構和增益光纖長度控制實現了 3.9 kW 功率的拉曼雷射輸出，光束質量 M2 因子為 1.49 [16]；國防科技大學基於時域穩定種子源和 1018 nm 雷射同帶泵浦技術，實現了單纖萬瓦級功率輸出，光束質量 M2 因子為 1.86 [17]。2019 年，中國科學院上海光學精密機械研究所利用自主研發的大模場雙包層增益光纖和無源器件，採用雙端抽運技術實現了 10.14 kW 輸出功率；中心波長為1070.36 nm，3 dB 光譜帶寬為 5.32 nm，主放大級最大光光轉換效率為 87.8%，斜率效率為 89.2% [18]。

四、高亮度固體雷射器技術發展趨勢

（一）技術路線梳理

1. 從雷射器技術特點角度

目前，實現輸出功率 100 kW 以上的雷射器技術路徑主要是光纖雷射器、板條雷射器、浸入式液冷薄片雷射器，其他技術路線距離實際應用仍有一定差距。

光纖雷射器方面，單纖雷射功率輸出存在上限，需通過相干 / 偏振 / 光譜 / 色譜 / 空間等多種合成方式實現更高功率輸出，目前主要有普通線寬、窄線寬兩種技術路線。

板條雷射器方面，單鏈路輸出功率可以很高，並且可以通過相干 / 偏振 / 光譜 / 時序等合成方式來實現更高功率輸出，但與光纖雷射相比可靠性略差、熱管理較為複雜。

浸入式液冷薄片雷射器方面，雖然可以解決高能雷射器增益介質廢熱過於集中的問題，但由於雷射通過冷卻液體傳輸、液體熱光係數比固體高兩個數量級而帶來液體折射率分布不均勻現象，嚴重影響輸出雷射的光束質量，且電光效率也比較低。

光纖雷射器在可靠性、熱管理和平臺適裝性等方面具有優勢，但由於單纖輸出功率受限，實現兆瓦級雷射輸出的難度很大。目前，板條雷射器的兆瓦級功率輸出關鍵技術已獲得突破，在保證光束質量的前提下，有望比光纖雷射器更早、更容易實現兆瓦級以上的功率輸出應用。

2. 從雷射器研發實踐角度

梳理國內外各種技術路線（見圖 1 和圖 2），可以獲得以下初步技術判斷：①在數十千瓦輸出功率等級內，對於高光束質量、連續輸出、對雷射光譜線寬無特殊要求的情況，光纖雷射技術因其效率高、可靠性高、適裝性好而具有比較優勢，有望更早實現工程應用；在 100~200 kW 輸出功率等級內，光纖雷射技術在高光束質量、高可靠性方面的優勢僅能勉強保持；在 300 kW 以上輸出功率等級內，光纖雷射技術已經不符合高亮度的基本要求，光束質量也難以保證。②相對而言，以板條和薄片為代表的塊狀固體雷射技術，對於數十千瓦至數兆瓦範圍的功率需求，在連續體制、脈衝體制、雷射線寬壓窄要求等方面均有高功率高光束質量輸出的技術方案；但光路設計複雜、空間分立元件較多，高效率和高可靠的雷射產品技術攻關周期會有所加長。

圖 1 單纖輸出光纖雷射器發展情況

圖 2 以板條和薄片為代表的塊狀結構單口徑固體雷射器發展情況

（二）發展趨勢

（1）光纖雷射技術難以滿足 300 kW 以上高亮度輸出功率應用要求，以板條和薄片為代表的塊狀固體雷射技術是實現兆瓦級以上功率輸出的優選途徑（見圖 3）。

圖 3 不同技術路線固體雷射器的輸出能力比較

（2）新型大尺寸增益介質的研究進展，如高質量雷射晶體 / 陶瓷可以大幅度提升單增益模塊的輸出功率，為單路雷射器功率繼續提升提供了重要支持。

（3）為了提升固體雷射器的亮度、轉換效率、功率質量比、功率體積比等性能，根本性的措施有：通過合成提升亮度，通過增益介質深冷來提高亮度和效率，進行增益模塊結構創新設計。

五、高亮度固體雷射器發展面臨的挑戰

雷射的亮度與功率成正比關係，與光束質量M2 因子的 2 次方成反比關係，可以通過提高功率、改善光束質量這兩種途徑來提高雷射的亮度。由於受到「熱效應」的影響，光束質量隨著功率的提升呈下降趨勢，最終導致雷射亮度並沒有按預期隨著雷射器功率的提升而增加，甚至造成雷射亮度的下降。為此，高亮度固體雷射器在發展過程中需著力解決以下方面的技術挑戰。

（1）增益介質是實現增益模塊高功率的核心部件。單口徑雷射器輸出功率的提升，面臨著高功率雷射放大器模塊難以兼具高光學質量、高光學精度、耐受高熱流密度等性能特徵的難題。如無法攻克這一問題，固體雷射器的輸出能力將受到嚴重製約。

（2）高亮度固體雷射器對於泵浦光的均勻性有著極高要求，而高功率雷射二極體泵浦源因其固有的結構特點，面臨著光束髮散角較大且水平 / 垂直方向不一致、光束強度分布不均勻等難題。這對固體雷射器的輸出功率和光束質量構成了明顯約束。

（3）雷射增益模塊在工作時產生的大量廢熱需要及時處理。如果廢熱無法被及時、均勻地冷卻而累積在增益介質中，將引起增益介質的熱應力和熱畸變，進而嚴重影響雷射器的輸出功率和光束質量。

（4）隨著輸出功率的不斷提升，固體雷射器面臨的熱效應因素趨於突出，輸出雷射所含像差隨著功率提升而逐漸增加，甚至超出了用於雷射光束淨化的自適應光學系統的空間解析度與像差校正能力極限，進而造成像差無法校正的結果。

（5）半導體雷射泵浦技術促成了固體雷射器的高效率和高亮度輸出，引領了雷射領域的技術變革。由於介質的非線性效應、熱損傷等物理機制研究不夠透徹，在當前技術狀態下的單臺雷射器平均亮度仍然受限。

六、高亮度固體雷射器關鍵技術分析

開展百千瓦到兆瓦級高亮度固體雷射器的全鏈路技術和工藝研究，著力突破高性能增益介質材料、高功率密度泵浦耦合、高熱流密度散熱控溫、強光傳輸抗損傷、波前調控、光束合成等關鍵技術，為未來兆瓦級高亮度雷射輸出及工程應用奠定技術基礎。

1. 高性能增益介質結構設計、製備與測試

增益介質結構決定了固體雷射器的核心性能，引導了泵浦耦合、散熱控溫等基礎性設計方向。為實現高亮度雷射輸出，增益介質結構應具有高的增益和低的波前畸變，亦即滿足高功率高效率均勻泵浦耦合、高熱流密度散熱、高功率雷射傳輸、高非線性閾值等性能要求。

對於表層增益板條設計，涉及研究內容包括：掌握不同構型增益介質的吸收、增益、散熱特性，開展泵浦、冷卻結構的選型設計，分析結構設計參量的可調節範圍，結合工藝可實現性提出結構設計方案。對於在用的增益介質結構方案，按照加工工藝要求全面開展要素分析，通過建模優化尋求最佳結果；建立相關雷射放大運轉的數學模型，通過實驗修正仿真結果；通過多次迭代形成不同功率等級的功率放大增益介質結構設計優化方案。

2. 高功率密度泵浦光場分布設計與控制技術

針對高功率雷射二極體泵浦源、高集成度泵浦耦合光學組件開展研究，著力突破泵浦光高效高功率耦合及勻化技術，具體包括：雷射二極體的高效高功率輸出、陣列輸出雷射的線寬控制、發散角控制、高密度堆疊，泵浦耦合光學組件的高效變換、集成化、波導化設計等。

雷射二極體泵浦源由於其固有的結構特點導致應用領域和範圍較窄，不同的應用場合需要雷射二極體具有不同的輸出光斑與光場。應重視輸出光束的準直與整形研究，利用多種工程分析軟體來開展各類半導體雷射器的建模仿真，形成提高輸出光束質量的先進設計方案。

3. 高熱流密度傳導冷卻技術

具體包括散熱熱沉設計與加工、增益介質與熱沉的均勻熱接觸、低應力封裝等，涉及熱場分析、流場仿真、熱沉結構應力場分析、驗證環境搭建等技術環節。相變換熱熱沉、納米尺度熱界面材料製備等也是有價值的前沿方向。低應力、低熱界面空洞率的真空焊接封裝技術是板條增益介質雷射器的核心技術。

對於增益模塊的高熱流密度傳導冷卻，主要採用微通道換熱技術。相關研究的重點有：微通道結構優化設計、微通道結構加工工藝改進、冷卻劑選擇優化、各類參數（通道截面形狀和高寬比、微通道內的摩擦係數、不同冷卻劑等）對微通道內流動和散熱性能的影響等。

4. 波前調控技術

輸出雷射的光束質量是高亮度固體雷射器的核心指標，對用於雷射光束淨化的自適應光學系統在空間解析度與像差校正量方面提出了極高要求。探索構建多變形鏡組合的自適應光學系統，利用處於相位共軛位置的多個不同類型的波前校正器，分別對像差中最適合校正的分量進行補償，從而將不同類型的波前校正器優勢予以有機整合來優化自適應光學系統的時間和空間特性。開展自適應光學系統實時處理子系統的架構與性能研究，掌握大單元數自適應光學系統的適應性邊界，有效壓縮實時處理時延以提升自適應光學系統閉環速度。

5. 雷射合成技術

合成技術是實現固體雷射器輸出功率定標放大的有效途徑，用於克服固體雷射器單孔徑輸出功率增加受限於增益介質尺寸的制約，實現高平均功率、高光束質量的固體雷射輸出。相關研究的重點有光譜合成、相干合成、時序合成等。

在光譜合成方面突破窄線寬且具有特定頻譜的雷射器子束、性能好且損傷閾值高的色散元件、高集成度的密集組束等技術。在相干合成方面研究雷射器子束單頻（優於兆赫茲線寬）特性控制、高精度波前控制、多路初相位同步控制、高集成度的密集組束等技術。在時序合成方面攻關脈衝體制雷射器子束、高抗光損傷、高穩定性的合束器件等技術。

七、對策建議

（一）加強探索性研究，注重技術創新

研究建立高亮度雷射器技術評估體系，加強領域技術預見、研判和跟蹤研究。堅持問題導向，把握技術發展趨勢，在可能引發高亮度固體雷射器技術變革的顛覆性技術方面提前布局，紮實開展前瞻性基礎研究，尤其要重視增益介質結構創新的特殊波導、表層增益等新體制雷射技術。對於原創性強、尚未形成共識的探索性研究給予必要的支持，鼓勵科學家自由探索、勇於攻克前沿科學難題，力爭在原創理論和原創發現方面取得突破，以技術創新引領高亮度固體雷射器領域的重大進展。

（二）實施重大項目部署，突破關鍵技術

以國家未來重大需求為出發點，依據領域發展戰略規劃，立足固體雷射器材料和器件技術領域已經取得的良好基礎，設立並實施新一代高亮度固體雷射器技術重大科技項目，在高平均功率且高峰值功率輸出以及高頻譜功率密度輸出的雷射器技術方向積極布局。同時，針對我國高亮度雷射器技術發展的迫切需求和薄弱環節，找準技術突破口並凝練主攻方向，充分發揮國家級基礎研究基地的儀器設備和人才優勢，力爭突破一批關鍵共性技術和前沿引領技術，儘快實現高亮度固體雷射器的工程應用示範，為科技強國建設和智慧社會發展提供有力支撐。

（三）加強國際交流，建立高水平人才隊伍

多類渠道布局，鼓勵與國際知名的雷射技術研究機構建立起經常性的學術交流機制和科研合作關係。加強雷射技術人才培育和梯隊建設，創造有利於優秀青年人才成長的客觀條件，培養造就一批具有國際視野和較高水平的戰略科技人才、科技領軍人才、青年科技人才和技術創新團隊。