|高亮度固体激光器技术发展研究
北京联盟_原题是：高亮度固体激光器技术发展研究
本文作者唐晓军 ， 王钢 ， 刘娇 ， 耿林 ， 姜东升 ， 来自华北光电技术研究所固体激光技术重点实验室 ， 仅供行业交流学习之用 ， 感谢分享！
一、前言
高亮度激光技术是指高功率、高光束质量的激光产生、传输与控制技术 ， 高亮度固体激光器技术特指以固体材料为增益介质的激光产生技术 。随着工业加工、国防装备等领域对高功率、高光束质量激光的需求持续加大 ， 高亮度固体激光器因其潜在的经济和军事价值而吸引着学术界和工程界的研究兴趣与探索热情 。
从增益介质构型的角度来看 ， 高亮度固体激光器主要分为板条、薄片、光纤等类别 。板条激光器和光纤激光器因其突出优点而成为高亮度固体激光器领域的热点研究方向 。板条激光器技术最早实现了百千瓦级高亮度激光输出 ， 经过一段时间的技术沉淀 ， 近期陆续实现了新的技术突破 。光纤激光器技术单纤受限于物理极限 ， 输出功率止步于数十千瓦量级（2013 年实现最高单纤 20 kW 输出） ， 而合成技术进一步提升了输出功率 。
本文从高亮度固体激光器的宏观需求出发 ， 梳理国内外具有代表性的、体现前沿水平的高亮度固体激光器技术及其发展趋势 ， 提出实现兆瓦级以上功率激光输出的优选技术路径 ， 针对领域发展瓶颈论证关键技术及其攻关路径 ， 还就我国高亮度固体激光器领域的未来发展提出对策建议 。
二、高亮度固体激光器技术宏观需求
1.激光推进
传统的航天发射依赖大型运载火箭 。由于化学推进剂的能量密度不高 ， 使得运载火箭的质量构成以推进剂为主要方面 ， 相应入轨有效载荷占比仅为1.5% 左右、发射成本高达 10 000 美元/kg 。作为未来新的航天发射方式 ， 激光推进利用激光与工质相互作用产生的等离子体爆炸气团来进行驱动 ， 有效载荷占比可达15% ， 估算发射成本较常规方式可降低两个数量级；同时由于采用非含能工质 ， 航天发射的安全性显著改善 。根据激光推进的工程应用设想 ， 采用平均功率为 350 MW 的脉冲激光器 ， 可以将 1000 kg 有效载荷发射至近地球轨道 。
2. 激光无线能量传输
激光具有单色性好、方向性强、能量集中等突出特征 ， 可以较高效率将光能远距离地传输到配备有光电转换器件的用电设备上 ， 从而实现无线能量传输 。激光作为载体进行能量传输 ， 所需设备的体积和质量仅为微波类设备的 1/10 ， 且不干扰微波通信信号 。无人机、微型飞行器、微型卫星、空间探测器、无线传感网络等移动负载对新型能源供给方式提出迫切需求 ， 因而激光传能应用潜力巨大 。
3. 激光器军事应用
利用定向发射的高能激光光束持续聚焦在目标表面来摧毁目标或使之失效 ， 这是激光器军事应用的重要方面 。这类应用模式具有打击无延迟、作战成本低、反应速度快、附带损伤小、抗电磁干扰能力强、兼顾软硬杀伤等独特优势 。常规战场打击火力密度和效能不足的问题较为突出 ， 而激光器军事应用有望改变传统火力交战模式 ， 被视为改变未来战争形态和作战概念的颠覆性技术 。
三、高亮度固体激光器技术发展现状
（一）国外发展现状
【|高亮度固体激光器技术发展研究】1. 板条激光器
板条激光器采用薄板状结构增益介质 ， 激光激射在增益介质长度方向 ， 而散热在增益介质厚度方向 ， 由此实现高功率、高能量连续或脉冲激光输出 ， 光束质量优良 。2009年 ， 美国诺斯罗普·格鲁曼公司发布了7路传导冷却端面泵浦板条（CCEPS）相干合成激光输出的实验结果：输出功率为 105.5 kW ， 光束质量 BQ 因子小于 3 ， 电光转换效率达 19.3% ， 从零到满负荷输出的时间仅为 0.6 s ， 累计运行时间超过 85 min 。这一实验成为高亮度固体激光器发展的里程碑 。2010年 ， 美国达信公司发布了有关定向能武器（J-HPSSL）的阶段性研究进展 ， 在浸入式板条（ThinZag）激光的单孔径实验室中获得了平均功率超过100 kW的输出 。
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