高功率陶瓷板条激光器

宋艳洁，朱铎，薄勇，彭钦军，李江

（1.中国科学院理化技术研究所 固体激光重点实验室，北京 100190；2.中国科学院理化技术研究所 功能晶体与激光技术重点实验室，北京 100190；3.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 201899）

引言

高功率固体激光在航空航天、轨道交通、海洋及卫星产业等高端装备制造领域以及高能量密度科学和聚变能源等国际前沿研究领域均有广泛的应用前景，对于国家经济发展和国防安全均有重大战略意义[1-5]。然而，在高功率激光器中，传统棒状激光器的热效应会随着输出功率的增加而加剧，不仅制约着激光输出功率的提高，显著降低光束质量，严重时还会导致增益介质的碎裂。为解决这一问题，美国通用公司于 20 世纪 70 年代提出了Zigzag 板条激光器的概念[6]，即激光在增益介质内“之”字形传输，以均匀一个方向上的温度梯度，它与棒状激光器和直通型板条激光器不同，激光在穿过板条时经历相同的温度梯度，从而补偿了厚度方向上的部分热畸变，大大降低了热效应对光束质量的影响[7]。此外，薄板条的结构外表面积较大，可用作高效散热的冷却面，使增益介质内的温度梯度降低；较大的表面积同时可提供较大的泵浦面积，有利于提高泵浦功率，实现高功率输出。2002年，美国 TRW 公司利用半导体激光器（简称 LD）泵浦的 Nd:YAG 晶体板条实现了 5.4 kW的输出功率[8]。2009年，美国 Northrop Grumman 公司利用基于 Nd:YAG 晶体板条的 7 路主振荡功率放大器（MOPA）链条实现了 105 kW 的输出功率[9]。虽然目前基于 Nd:YAG 的板条激光器已经实现了极高的输出功率，但进一步提高输出功率变得越来越困难。这是因为传统的 Nd:YAG 晶体板条生长受限于工艺，很难生产出大尺寸、高质量的Nd:YAG 晶体坯料。

作为新一代激光增益材料，激光陶瓷与激光晶体相比优势颇多[10-12]。陶瓷材料通常由高纯度晶体纳米粉末通过高温烧结压制而成，这一过程消除了晶体的生长限制，从而可以获得晶体无法达到的尺寸，还可以实现不同掺杂和不同材料共同烧结。因此，激光陶瓷具有成本低、制备周期短、加工简单、烧结温度低、尺寸大、体积构型灵活等优点。此外，高掺杂浓度激活离子的激光陶瓷仍能表现出良好的光学和激光性能，这是晶体不具备的特性。与同类型的激光晶体相比，陶瓷具有更好的机械性能[13-14]，抗激光热损伤能力更强。激光陶瓷这些优异的特性为发展大能量、高功率激光技术开辟了机会。

1995年，日本科研工作者利用氧化物固相反应法制备出了散射损耗低至0.009 cm-1的Nd:YAG高透明陶瓷，并实现了常温下首次采用透明陶瓷实现激光输出[15]。自此以后，使用透明激光陶瓷作为增益材料的激光技术迅速发展起来。2002年 LU J 等人使用掺杂浓度为0.6%、尺寸为Φ4 mm×105 mm 的单根Nd:YAG 陶瓷棒实现了1.46 kW 的连续激光输出[16]。2006年，Livermore 实验室使用Nd:YAG 陶瓷获得67 kW 的高功率Nd:YAG 陶瓷板条激光输出[17]。2010年，美国达信公司使用Nd:YAG激光陶瓷获得了100 kW 量级的激光输出[18]。

我国关于透明陶瓷激光技术的研究起步相对较晚。目前国内从事透明陶瓷激光技术研究的单位有中国科学院理化技术研究所、中国工程物理研究院、中电11 所等。其中中国科学院理化技术研究所从2005 年开始陶瓷激光技术研究，2007 年本课题组利用上海硅酸盐研究所研制的Nd:YAG激光陶瓷材料，在国内率先研制出功率达10 W 的陶瓷激光器[19]；2010 年本课题组利用上海硅酸盐研究所研制的Ф6 mm×100 mm 的Nd:YAG 陶瓷棒在国内率先实现了千瓦级激光输出[20]，当泵浦功率为2 511 W时，准连续1 064 nm 激光输出功率达961 W，光光转换效率为38.3%。同时，本课题组对比研究了陶瓷材料与晶体材料的激光热损伤特性。经实验和理论仿真发现，在相同条件下，陶瓷材料的激光热损伤阈值较晶体材料高60%以上，这意味着陶瓷材料比晶体材料在激光损伤性能方面更有利于输出高功率激光[21]。与棒状增益介质相比，板条状的增益材料在热管理性能方面有着更好的优势，更适合用于高功率的激光定标放大。本课题组近年来对激光陶瓷板条开展了系列研究，本文总结了课题组在高功率陶瓷板条激光技术方面的主要研究进展。

1 Nd:YAG 陶瓷板条激光器

近年来，Nd:YAG 透明陶瓷发展迅速，其几乎具有Nd:YAG 单晶的全部优点：良好的光学、物理、化学及机械性能等。早期Nd:YAG 透明陶瓷比Nd:YAG 单晶具有更大的散射损耗；但现今Nd:YAG透明陶瓷的散射损耗已接近于Nd:YAG 单晶。课题组采用上海硅酸盐研究所研制的Nd:YAG 透明陶瓷进行了陶瓷激光的实验研究，实验装置如图1所示。

图1 Nd:YAG 陶瓷板条激光实验装置Fig.1 Structure diagram of Nd:YAG ceramic slab laser experimental setup

Nd:YAG 陶瓷板条采用等腰梯形结构，其尺寸为120 mm×50 mm×3 mm，掺杂浓度为1 at.%，尺寸端面切角约为55 °。板条的大面和端面均经过严格的光学级抛光，在板条的上大面镀808 nm 泵浦光增透膜，板条的下大面镀808 nm 泵浦光高反膜；在板条的上、下大面镀一层倏逝波保护膜，使振荡激光在这两面之间的全内反射不受机械安装和密封零件破坏。Nd:YAG 陶瓷板条激光实验采用波长为808 nm 的半导体激光器阵列（LDA）进行泵浦，并调节其温度，从而使泵浦波长对准Nd:YAG陶瓷的吸收峰。泵浦光由LDA 出射后，经过泵浦光整形系统，对泵浦光进行匀化，并耦合进板条上大面中。

激光器采用平凹腔结构设计，M1 为凹面镜，曲率半径为750 mm，表面镀有1 064 nm 高反膜（反射率≥99.8%）；M2 为平面镜，对1 064 nm 激光的透过率为60%。当LD 泵浦功率为9 984 W时，Nd:YAG陶瓷板条实现了平均功率4 350 W的1 064 nm 激光输出，光光效率达到了43.6%。同时，在实验中对陶瓷板条和晶体板条的激光输出特性进行了对比，如图2 所示。

图2 Nd:YAG 陶瓷板条激光和晶体板条激光输出功率曲线Fig.2 Output power of Nd:YAG ceramic slab laser setup versus pump power

在相同的泵浦功率下，晶体板条的输出功率为4 500 W，光光效率为45%。两者相比，陶瓷板条的输出功率略低于晶体板条3%，可以说基本相当。

2 高功率Yb:YAG 陶瓷板条激光器

相比于Nd:YAG 晶体材料，Yb:YAG 陶瓷材料表现出更好的特性：首先，Yb3+的主要吸收峰和发射峰的波长距离更近，量子亏损更小，有助于降低热累积；其次，Yb3+的荧光寿命较长，在储能方面具有优势；此外，Yb3+的能级结构比较简单，所以在高浓度掺杂下的Yb:YAG 陶瓷也不存在浓度猝灭；而且，由于Yb:YAG 陶瓷在940 nm 附近有较宽的吸收带宽，Yb:YAG 激光器可以在很宽的温度范围内工作，极大降低了二极管泵浦源的温度控制难度。基于上述优点，我们采用上海硅酸盐研究所研制的Yb:YAG 陶瓷材料作为激光增益介质，设计了Yb:YAG 陶瓷板条激光装置，其结构如图3 所示。

图3 Yb:YAG 陶瓷板条激光装置结构示意图Fig.3 Structure diagram of Yb:YAG ceramic slab laser setup

陶瓷板条激光模块仍然采用梯形结构，板条尺寸为173.6 mm×66 mm×6 mm，掺杂浓度为0.6 at.%，其上大面尺寸为159.3 mm×66 mm，下大面尺寸为173.6 mm×66 mm，两端切角均为40 °。板条的两端面镀有1 030 nm 光的增透膜，以减少激光在端面反射的损耗。板条上下大面镀有泵浦光940 nm 的增透膜，透过率达到99.8%，以确保泵浦光几乎完全通过上大面进入板条并被吸收。板条的2 个侧面做打毛处理，从而抑制放大的自发辐射（ASE）并避免自激振荡在两侧面间产生。冷却液从上下大面经过，采用直接液冷的方式来进行散热。

Yb:YAG 板条激光装置采用波长为940 nm 的LDA 进行泵浦，并调节其温度从而使泵浦波长对准Yb:YAG 的吸收峰。泵浦光由LDA 出射后，同样经过泵浦光整形系统进行匀化，并耦合进板条上大面中。为了在获得较高的反转粒子数的同时减少热量的产生，泵浦源采用准连续波（QCW）泵浦，重复频率为160 Hz，脉冲宽度为600 μs。

为了产生激光输出，采用了M1 与M2 两面腔镜构成谐振腔。其中，M1 为凹面镜，曲率半径为750 mm，表面镀有1 030 nm 高反膜，反射率达到99.8%；M2 为平面镜，对1 030 nm 激光部分透过，透过率为60%。输出激光从M2 出射，经过分光镜分光后，射入激光功率计（PM，OPHIR NOVAII/30K-W-BB-74）进行功率测试。图4 给出了激光输出功率随吸收的泵浦功率变化的曲线，从中可以看出，输出功率随吸收泵浦功率接近线性增长，当吸收的泵浦功率达到9.57 kW时，最大输出功率达到6.2 kW。经计算可知，当输出功率达到最大时，光光效率为64.8%，斜率效率高达72.1%。此时，功率曲线的斜率并未展现出下降趋势，这表明当泵浦功率进一步增大，输出功率也会以与之前相同的斜率增长。

图4 Yb:YAG 陶瓷板条激光装置输出功率随吸收的泵浦功率变化的曲线Fig.4 Output power of Yb:YAG ceramic slab laser setup versus absorbed pump power

图5 给出了准连续波运转的Yb:YAG 陶瓷板条激光典型的波形图，激光重复频率为160 Hz，与泵浦脉冲的重复频率相同，脉冲宽度为560 μs，占空比约为9%。测试输出激光的中心波长和半高宽，结果如图6 所示，输出激光的中心波长为1 030 nm，半高宽为0.9 nm。

图5 Yb:YAG 陶瓷板条激光装置典型的示波器波形Fig.5 Typical oscilloscope trace of QCW pulse Yb:YAG ceramic slab laser setup

图6 Yb:YAG 陶瓷板条激光装置测量波长Fig.6 Measured wavelength of Yb:YAG ceramic slab laser at full output power

在上述研究的基础上，我们进一步使用上海硅酸盐研究所研制的更大尺寸、更高掺杂浓度的Yb:YAG 陶瓷样品，研制了10 kW 级的Yb:YAG 陶瓷板条激光模块，其结构图如图7 所示。板条同样采用梯形结构，板条尺寸为 174.5 mm×66 mm×6.6 mm，其中上大面为158.2 mm×66 mm。板条掺杂浓度为0.8 at.%，板条端面与侧面切角，均与6.2 kW 级板条相同，且侧面仍进行打毛处理。与6.2 kW 级板条不同的是，板条上大面依旧镀有泵浦光940 nm增透膜，而下大面则镀有泵浦光940 nm 高反膜，使得泵浦光经由上大面入射后，通过下大面进行反射从而实现双程吸收提高泵浦光的吸收效率。在激光运行过程中，为了评价激光板条模块产生高功率高光束质量激光输出的潜力，使用了一束波长632.8 nm 的平行光束，从陶瓷板条的一个端面射入，并沿着与输出激光相同的“之字形”路径进行传输，单次通过正在运行的板条并从板条的另一个端面射出。出射的参考红光光束，经过分光镜M3后，被反射至一系列探测器中，以获得单次通过板条的参考光红光光束的波前畸变等参数，用以评价Yb:YAG 陶瓷板条激光模块输出高功率高光束质量激光的潜力。

图7 10 kW 级Yb:YAG 陶瓷板条激光装置示意图Fig.7 Structure diagram of Yb:YAG ceramic slab（10 kW class）laser setup

使用上述大尺寸Yb:YAG 陶瓷板条激光模块进行出光实验，其输出功率随吸收的泵浦光功率变化的曲线如图8 所示。由图中可知，当吸收的泵浦功率达到16.4 kW时，其输出功率达到9.85 kW，此时Yb:YAG 陶瓷板条激光器的光光效率达到60%，斜率效率约为65.3%。从图中也可以看出，激光的中心波长为1 030 nm，半高宽为0.9 nm。

图8 10 kW 级Yb:YAG 陶瓷板条激光振荡器功率曲线（插图为波长测量结果）Fig.8 Measured output power of Yb:YAG ceramic slab（10 kW class）laser versus absorbed pump power（inset measured wavelength at full output power）

图9 展示了探测红光在激光最高输出功率时，经由聚焦系统聚焦所得的远场光斑的光强分布，经由该分布计算所得的光束质量β因子为3.7 倍衍射极限。探测红光在进入聚焦系统并由CCD 相机探测远场光斑的同时，也被分光并由波前传感器进行波前分布的探测，图10 给出了探测红光的波前分布图。在最高功率输出时，测得的波前畸变峰谷（PV）值为2.8 μm，其分布呈现出中间部分较高，上下边缘部分较低的情况。首先，我们已经测试板条激光模块在不出光情况下的波前分布，以验证板条加工误差等因素对波前分布的影响，结果显示波前分布较均匀。为了更好地分析原因，我们对板条的温度分布进行了有限元仿真。仿真结果显示，沿着板条宽度方向的温度分布，其规律与所探测的波前分布相似，这说明了板条探测光波前畸变可能主要由板条内热效应引起。

图9 测得的探测光远场光斑光强分布Fig.9 Far-field intensity distribution of probe beam measured under full output power

图10 波前分布图Fig.10 Wavefront distribution map

3 结论

本文报道了本课题组近年来在高功率陶瓷板条激光方面的主要研究进展：1）研制出了平均功率达4.35 kW 的Nd:YAG 陶瓷板条脉冲激光器，激光脉冲宽度为160 μs，重复频率为400 Hz；2）研制出了平均功率达9.8 kW 的Yb:YAG 陶瓷板条脉冲激光器，激光脉冲宽度为560 μs，重复频率为160 Hz，光光转换效率为60%。这些结果表明，大尺寸激光陶瓷是实现高功率、高光束质量、高效率固体激光的重要增益介质。