|高亮度固体激光器技术发展研究( 二 )
2. 薄片激光器
薄片激光器的增益介质为片状结构 , 散热和激光传输均在增益介质厚度方向 , 因而散热路径短、通光孔径大 , 可实现高功率、高能量的连续或脉冲激光输出 。2012 年 , 美国波音公司集成了德国Yb:YAG 薄片技术 , 通过多个碟片组合获得了功率为30 kW 的激光输出 , 电光效率大于 30%;主要技术指标达到了耐用电子激光器倡议(RELI)第一阶段要求 , 后续开展 50~100 kW 激光器系统研制 。美国通用原子 – 航空系统公司提出技术方案:将数十至上百片的薄片激光介质直接浸入冷却液中 , 使用亚微米尺度的流体通道来进行激光介质的高效散热冷却;2010 年实现了单模块 60 kW 功率输出 , 2015 年实现两模块 150 kW 功率输出 , 完成了基于相关技术途径的 800 kW 功率输出概念设计 。
3. 光纤激光器
光纤激光器以可柔性操作的掺杂光纤作为增益介质 , 光束质量优良、电光效率高(约40%) , 易于散热、可靠性好、适装性强 。单纤激光功率输出存在上限(理论值为数万瓦) , 需要通过相干 / 偏振 /光谱 / 色谱 / 空间等多种合成方式来实现更高功率输出 。美国 IPG 公司 2009 年获得了 10 kW 功率的光纤激光输出;2012 年采用 1018 nm 泵浦并基于主振荡功率放大器(MOPA)结构实现了 17 kW 功率1075 nm 激光输出 , 光光转换效率达到 94% , 输出光纤纤芯直径为 50 μm , 输出光束质量 M2 因子为 2;2013 年实现了单纤 20 kW 功率的激光输出。美国洛克希德 · 马丁公司 2015 年采用光谱合成的方式实现了高光束质量激光输出 , 合成功率达到30 kW;2017 年实现了 60 kW 级的光纤光谱合成光源样机;2019 年实现了 150 kW 级光纤光谱合成激光输出 。
(二)国内发展现状
目前 , 我国高亮度固体激光器技术的研究集中在板条和光纤两方面 。
1. 板条激光器
我国在 20 世纪 90 年代开始了板条激光器技术的研究 。中国电子科技集团有限公司第十一研究所 2008 年采用 MOPA 结构实现了功率为 11 kW 的板条激光输出, 这是国内首次实现万瓦以上激光输出;2018 年利用表层增益板条单模块双程放大方式实现了功率为 2.6 kW 的激光输出 。2018 年 , 中国工程物理研究院应用电子学研究所采用分段掺杂板条获得功率为 20 kW 的激光输出 。2019年 , 中国科学院理化技术研究所采用常规大尺寸板条在低温深冷条件下获得功率为60kW的激光输出 。
2. 光纤激光器
关于高功率光纤激光器 , 国内较多机构开展了深入研究 , 在基础理论和工程技术方面形成了良好积累 。中国工程物理研究院激光聚变研究中心 2017 年设计了 976 nm 直接单端抽运的单纤激光系统 , 采用全国产光纤材料和光纤器件实现了单纤激光系统的10.6kW功率输出;2018年采用长距离分布式侧面泵浦技术 , 基于 MOPA结构实现了最高功率为 11.23 kW 的稳定激光输出 , 其斜率效率为 82.5%。2017 年 , 清华大学采用单一种子源 , 通过双向泵浦结构和增益光纤长度控制实现了 3.9 kW 功率的拉曼激光输出 , 光束质量 M2 因子为 1.49;国防科技大学基于时域稳定种子源和 1018 nm 激光同带泵浦技术 , 实现了单纤万瓦级功率输出 , 光束质量 M2 因子为 1.86 。2019 年 , 中国科学院上海光学精密机械研究所利用自主研发的大模场双包层增益光纤和无源器件 , 采用双端抽运技术实现了10.14 kW 输出功率;中心波长为1070.36 nm , 3 dB 光谱带宽为 5.32 nm , 主放大级最大光光转换效率为 87.8% , 斜率效率为 89.2% 。
四、高亮度固体激光器技术发展趋势
(一)技术路线梳理
1. 从激光器技术特点角度
目前 , 实现输出功率 100 kW 以上的激光器技术路径主要是光纤激光器、板条激光器、浸入式液冷薄片激光器 , 其他技术路线距离实际应用仍有一定差距 。
光纤激光器方面 , 单纤激光功率输出存在上限 , 需通过相干 / 偏振 / 光谱 / 色谱 / 空间等多种合成方式实现更高功率输出 , 目前主要有普通线宽、窄线宽两种技术路线 。
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