高功率固体激光器及其关键技术研究.docx

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高功率固体激光器及其关键技术研究

高功率固体激光器及其

关键技术研究

院系：

信息科学与技术系

专业班：

光信息科学与技术0802班

姓名：

邹雅琴

学号：

********054

指导教师：

2012年5月

高功率固体激光器及其

关键技术研究

Researchonhighpowersolidstatelaseranditskeytechnology

摘要

高功率固体激光器具有高效、高稳定性、高光束质量、体积小、寿命长等一系列优点，是军事、工业、医学和科研等领域的新一代理想光源。

高功率固体激光器技术不仅在先进制造等工业加工上有重要的应用，同时也是对武器装备性能影响巨大的关键技术之一。

本文首先介绍了高功率固体激光器的现状，依次介绍了圆棒激光器、薄片激光器、板条激光器和光纤激光器的性能特点与优势。

阐述了发展高功率固体激光器技术的必要性及重要性，然后介绍了两种高功率固体激光器技术：

热容激光技术和激光相干合成技术。

由于激光束的相干合成技术在要求高功率、高亮度激光束的场合下有广泛的应用，和其他合成技术相比，这种技术具有简单性、稳定性和可扩容性，所以文中对这种技术做了详细介绍。

固体激光器的发展方向大体为：

大功率器件将向高功率、高光束质量发展，而战略性应用的高能固体激光器将得到特别加强从而开发出更多新技术。

关键字：

高功率固体激光器激光器技术相干合成

Abstract

highpowersolidstatelaserswithhighperformance,highstability,highbeamquality,smallsize,longlifeandotheradvantages,military,industrial,medicalandscientificresearchandothernext-generationideallightsourcesinthefield.Highpowerall-solid-statelasertechnologyinadvancedmanufacturingandotherindustrialprocessesnotonlyhasimportantapplications,butalsotheweapononekeytechnologyforgreatperformance.

Thisarticlefirstdescribesthestatusofhighpowersolidstatelasers,andintroducedRodlasers,lasers,sliceslablaserandFiberLaserperformancefeaturesandbenefits.Explaintheneedforthedevelopmentofhighpowersolidstatelasertechnologyandtheimportance,andthenintroducestwohighpowersolidstatelasertechnology:

heatcapacitylasertechnologyandlasercoherentsynthesistechnology.Becauselaserbeamscoherentcombinationoftechnologiesthatrequirehighpower,highbrightnesslaserbeamunderawiderangeofapplications,comparedwithothersynthesistechnologies,thistechnologywithsimplicity,stabilityandexpansion,thistechnologyhasbeenintroduced.Developmentofsolidstatelaserdirection:

tohighpower,highbeamqualityofhigh-powerdevicedevelopment,andstrategicapplicationofhighpowersolidstatelaserswillbestrengthenedsoastodevelopmorenewtechnologies.

Thesubjectemphasisisplacedonthedesignofhighpowersolidstatelaserstatus,aswellasresearchonkeytechnologiesof.Workismainlythroughtheinformationandtheirdetailedunderstandingofthedifferenttypesofresearchonhighpowersolidstatelasersandrelatedtechnologies.

Keywords：

highpowersolidstatelaserlasertechnologycoherentcombination

绪论

高功率固体激光器具有的独特优势以及其广阔的应用前景。

从诞生的第一台激光器以来，激光技术的发展如雨后春笋般，逐步渗透到科研、医疗、工业和国防等众多领域并产生巨大影响。

以激光高技术为核心的相关产业已成为21世纪的的主流，并带动了整个高新技术产业链的发展。

激光技术的应用在国民经济建设、国防安全和科研领域发挥着不可替代的关键作用，是一项具有战略性，全局性和带动性的战略高技术。

高功率固体激光器具有体积小、重量轻、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、运转灵便等一系列优点，已成为激光发展中最具有前景的代表。

且它可通过变频获得宽波段输出、便于模块化和电激励等应用优势，已经广泛应用于科研、医疗、工业加工、军事等领域，成为新一代性能卓越的绿色、节能光源。

近年来，随着半导体激光技术的日臻完善和半导体激光器件性能的大幅增长，高功率固体激光器获得了飞速发展，特别在输出功率和光束质量方面，美国已报道实现了光束质量小于2倍衍射极限的万瓦激光输出，并计划进一步提高其功率至105W，用于机载战术激光武器。

针对传统激光器实现高功率、高光束质量激光面临的最大障碍之一的热管理技术，还衍生出多种新型结构的激光器而且均取得了显著进展，使得目前全固态激光器领域呈现百花齐放的景象。

本文综述了近年来高平均功率固体激光器的发展现状，介绍了目前获得高平均功率固体激光的主要方式及最新进展，分析评述了高平均功率固体激光器的发展趋势，展望了其在工业和军事领域的应用前景。

近年来，随着半导体激光技术的日臻完善和半导体激光器件性能的大幅增长。

高功率固体激光器获得了飞速发展，特别在输出功率和光束质量方面。

高功率固体激光器是应用于现代工业加工的新一代激光光源。

与传统的气体激光器相比，具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点。

高功率固体激光器及其工业装备已经进入产业化的高速发展期，带动了激光乃至整个光电子行业高速发展。

在不远的将来，以激光技术为核心的激光加工技术很可能取代传统工业加工的地位，并推动人类科学技术革命和进步。

1高功率固体激光器的现状

1.1圆棒激光器

圆棒激光器是目前发展最成熟、应用最广泛的固体激光器构造。

其中圆棒增益介质主要有Nd：

YAG和Yb：

YAG，按抽运方式不同可分为端面抽运和侧面抽运两种方式。

端面抽运是指抽运光从晶体棒的端面入射，激光沿晶体棒长度方向振荡的抽运方式。

采用这种抽运方式能使抽运光和振荡光较好地模式匹配，有利于获得高效率近衍射极限激光输出。

因此，采用端面抽运结构的高功率全固态激光器转换效率比较高，能获得较好的光束质量输出。

然而，端面抽运方式受到谐振腔基模体积的约束，即要实现抽运光和基模空间较好的匹配，需要抽运光入射在激光介质的端面面积较小，这样不仅限制了注入抽运光功率，同时还在激光介质内产生较大的局部温度梯度和复杂的热光效应，影响了光束质量。

由于温度的变化导致晶体棒内的热应力必须小于晶体自身碎裂应力，以及端面镀制的抽运光和振荡光的双色膜的抗激光损伤阈值一般较低等因素，限制了注入的抽运光功率，因此很难获得千瓦级高平均功率输出，目前获得的高功率端面抽运的全固态激光器输出功率多在百瓦级【1】。

尽管高功率固体激光器大多采用侧面抽运，但是端面抽运带来的高光束质量及高效率等优势，一直是科学家们不断追求的目标，为了获得高功率输出，科学家们提出了许多极富创造力的新思想和新方案[2]。

侧面抽运又称为横向抽运，是指将LD阵列发出的抽运光从晶体棒的侧面注入到晶体棒中，激光沿晶体棒长度方向振荡的抽运方式。

侧面抽运方式结构简单、性能稳定、成本低，采用单个激光模块就能很容易输出百瓦级甚至千瓦。

然而，在侧面抽运结构中，晶体棒中的增益分布很难与谐振腔本征基模很好地匹配，而且由于晶体棒中心的温度比表面高得多，导致较严重的热透镜效应和热退偏，降低了输出激光的光束质量。

而且，抽运光要经过隔离冷却液的管道和冷却液才能到到达晶体棒，其中冷却管道的内外表面和晶体棒表面的对抽运光的反射，冷却液对抽运光的吸收都会影响抽运效率，因此侧面抽运的光光转换效率普遍比端面抽运要低，一般为40％左右。

不过由于侧面抽运很容易将高功率泵光注入到晶体棒中，因此较容易获得高功率输出，而且通过改进设计，也能获得百瓦以上的近衍射极限的基模输出。

圆棒激光器工作时，主要有3个因素限制了激光器的T模输出功率：

①热应力引起双折射，使圆棒成为一个非单一焦距的透镜。

在通常腔长下，最大模半径约为1．1mm，与棒的尺寸无关，因而限制了最大的模输出功率；②非均匀抽运在棒内引起光学畸变，随着抽运功率增加，这种热畸变造成的衍射损耗比增益增加更快；③棒的破裂应力限制了它所能承受的抽运强度，最终限制了输出激光功率。

因此，要获得高平均功率、高效率、高光束质量的激光输出，首要条件是要保证抽运的均匀性，同时还要保持高抽运效率。

这涉及到抽运结构、强度、工作介质的掺杂浓度以及浓度分布等；其次是设法消除或补偿热致双折射，但迄今还没有找到完全补偿的方法。

用非球面透镜可以部分补偿热畸变，特别是针对某一固定的抽运功率；由于光效正比于腔内增益与损耗之比，因此采用高增益、低畸变的工作方式将有利于提高输出平均功率。

圆棒激光器的抽运结构图如图1-1所示。

图1-1圆棒激光器的抽运结构剖面图

1.2板条激光器

板条激光器是激光工作物质为板条形状的固体激光器。

普通固体激光器激光工作物质的几何形状为圆棒状，温度梯度的方向与光传播方向垂直，在热负荷条件下运转时，将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应，严重影响了激光器的输出功率和光束质量【3】。

在板条激光器中，温度梯度发生在板条厚度方向上，板条宽度方向上的两侧面被热绝缘，而光在厚度方向的抽运面上发生内全反射，呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播，光传播方向近似与温度梯度方向平行，利用激光介质的的对称性和锯齿形光路消除热效应，从而减小激光束的热透镜效应和光学畸变效应，一次得以输出更高的输出功率和更好的光束质量的激光。

目前单根板条激光器连续输出功率已超过千瓦，脉冲输出能量超过百焦耳。

其发展方向是用大功率半导体列阵激光器侧向面泵浦，以获得更高的效率和更好的光束质量。

板条激光晶体由于具有三组对称面，因此有面抽运、边抽运和端面抽运三种抽运方式。

面抽运由于抽运面积较大，因而相应抽运功率密度较低，增益介质内增益分布较均匀，热梯度较小，不足之处是冷却面与抽运面重合，冷却介质容易污染抽运面，降低抽运效率。

边抽运具有抽运效率高，抽运面与冷却面相分离，有利于保持系统长期工作稳定性等优点，但是却有着较为严重的热光效应，而且抽运面较小，难以注入高功率抽运光。

端面抽运板条与端面抽运圆棒类似，将抽运光从晶体的端面入射，由于板条激光器的端面面积通常更小而且为矩形，这对其耦合是一项具有挑战性的工作。

此外，还可将板条切割成其他形状，采用更灵巧的方式来抽运。

板条激光器的厚度或宽度与抽运吸收长度相匹配，一般通过锯齿字形光路以补偿厚度方向上的热畸变。

宽度方向尺寸根据激光输出功要求设计，并采用边缘绝热技术控制该方向的热流，减小温度梯度，从而实现高光束质量激光输出。

但板条侧效应、端效应会影响光束质量并且要求的调节精度较高【4】。

尽管如此，这种激光器在高功率抽运下，由于板条固体激光器工作介质宽、厚度比较大，仍然存在一定的热透镜效应，在板条宽度的光束质量较差。

在有限宽度和长度的板条中，边缘效应和端面效应都会产生畸变；高功率抽运下，板条仍然存在热透镜效应和退偏；在薄板条中，放大自发辐射效应也严重影响着激光效率和光束质量；非轴对称的板条不可避免会产生像散，使光束在两个垂直方有不同的光斑大小、光腰位置和波面曲率。

为此，在板条构型、谐振腔设计、冷却结构、激光材料介质上做了许多的创新。

值得注意的是，虽然板条具有较好的热特性，但如果不解决抽运的均匀性，仍然不可能获得良好的效果。

还需特别注意的是，即使抽运均匀，若介质中增益分布不均匀，高功率固体激光器工作时仍然会造成波前畸变。

因此，在抽运耦合及分布的均匀性、增益介质的动态光学均匀性、传导冷却和微通道热沉的理论分析与数值模、热管理、有源腔模场等还还需要进一步的研究。

19KW高功率板条激光器结构如图1-2所示。

图1-219KW高功率板条激光器

端面抽运的板条激光器结构如图1-3所示。

图1-3端面抽运的板条激光器[5]

1.3薄片激光器

薄片激光器由多个模块组成，其中每个模块由两个平行放置的增益介质薄片构成，以一定距离间隔放置，在每个模块内部都有冷却结构，抽运光束由模块的两侧以平行或成一定角度入射到薄片介质的表面。

在左边介质薄片的右侧面和邮编薄片的左侧面分别附着两个金刚石热沉，在两个金刚石热沉之间构成一个冷却液体通道，以便于对热沉进行冷却【6】。

薄片激光器的结构特点是激光介质具有大的口径和厚度比，采用面抽运、面冷却，通过精密光学系统设计使光纤耦合输出的抽运光在晶体薄片中多次通过，增加对其吸收。

这种结构的热梯度分布方向与激光束传播方向相同，避免了热透镜效应引起的不利影响，而且，薄的晶体明显降低了Yb：

YAG的重吸收损耗，从而提高了转换效率。

因此，薄片激光十分适合高亮度、高平均功率发展的需要。

其不足之处在于：

光学设计非常复杂，元器件多，不利于系统的稳定性；高功率抽运时要求在很小的面积内将千瓦级的热带走，其散热系统设计十分困难。

薄片激光器通过设计可实现端面抽运、侧面抽运以及混合抽运。

端面抽运的结构，将薄片增益介质采用某种方式焊接在微通道冷却的热沉上，这个过程应设法避免薄片介质在焊接过程中引入的应力。

薄片增益介质的后端面作为腔镜镀抽运光和激光的高反膜，前端面镀二者的增透膜，输出镜一般采用球面镜。

抽运光以一定的角度入射在增益介质上，两处通过增益介质后，出射的剩余抽运光再次被反射回增益介质，如此反复，抽运光多次通过薄片介质最后达到很高的吸收值，整个过程要求抽运尽量均匀化【7】。

薄片激光器的原理就是将增益介质加工成很薄的薄片状，其中一个表面制备对泵浦光和激光的高反膜，然后将该面焊接到水冷系统上，该平面还充当激光器的一个腔镜。

在纵向平顶泵浦光作用下，该结构可以产生垂直于晶体表面均匀的热流，因而梯度方向与输出光束方向一致，可以有效克服热透镜效应【8】。

该结构的设计重点就是要保证在一定吸收率的前提下，有效减少晶体两端温差。

目前，千瓦级薄片激光器已经形成产品，与商用棒状激光器相比，其光束质量至少要好3倍，而且薄片激光器的光束质量还在不断提升，结合热容量工作模式，可能发展成为新一代高功率固体激光器。

面抽运的薄片激光器结构如图1-4所示。

图1-4面抽运的薄片激光器结构示意图

边缘抽运的薄片激光器结构如图1-5所示。

图1-5边缘抽运的薄片激光器结构图

1.4光纤激光器

光纤激光器是近年来激光领域关注的热点之一，也是目前实现高平均功率、高光束质量激光的重要手段之一。

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路构成谐振腔便可形成激光振荡输出。

双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤，它由纤芯、内包层和外包层组成，比常规的光纤增加了一个内包层。

其中，纤芯一般掺有稀土离子，如：

Nd3+，Yb3+或Er3+等，其直径在微米至几十微米量级，是单模激光的传输波导；内包层包绕在纤芯的外围，是抽运光的传输波导，其直径和数值孔都比较大，多为百微米，因此与传统光纤激光器需要将抽运光耦合到纤芯相比，双包层光纤激光器只需要将抽运光耦合到双包层中即可，其耦合效率很高。

抽运光在内包层传输时，以全反射方式反复穿越纤芯，被纤芯内的稀土离子吸收，从而产生单模激光，并具有很高的转换效率，如掺镱光纤的光一光转换效率可达80％以上【9】。

近年来，随着双包层光纤制造技术、高功率LD抽运源技术以及先进的光束整形技术等的迅速发展，高功率光纤激光器技术也在日新月异，其关键技术包括包层抽运技术、谐振腔技术和调制技术等都获得了重大突破。

包层抽运技术主要有端面抽运和侧面抽运两种方式。

端面抽运又可以分为透镜直接耦合、光纤端面熔接耦合和多个小功率LD端面耦合等方式，它具有结构简单的优点，但存在输出功率有限，不容易扩展的缺点，目前实现千瓦级的高功率激光输出大都采用端面抽运或双端抽运的结构；侧面抽运主要有V形槽法、狭缝法、角度磨抛法、二元衍射光栅嵌入镜法、熔接法、分布式包层和集中抽运等方式，功率容易扩展，但工艺非常复杂，目前国际上采用侧面抽运能实现高功率输出的还不多，处于研究状态。

双包层光纤激光器的谐振腔主要有两种方式，一是利用双色镜作为腔镜，与传统的固体激光器类似，实现起来比较容易，但无法实现全光封装，可靠性稍差，且不利于光纤激光器的实用化和产品化。

另一种方式是采用光纤光栅作为谐振腔镜，光纤光栅具有非常好的波长选择特性，损耗低，并且可以和光纤熔接在一起，使抽运光耦合变得比容易而且效率很高，整体的可靠性提高很多，易于实现全光结构，利于实用化和产品化。

目前两种方式均被采用，但高功率的光纤激光器对光纤光栅的工艺要求很高，国内目前尚难以实现。

原则上说，任何一类激光器单路输出功率总是有限的。

为提高激光器的输出功率。

必须采用功率合成。

对于高功率的光纤激光器，功率合成显得最为迫切。

根据应用需要，功率合成可以是相干或非相干的。

非相干功率合成已有比较成熟和长期的应用了。

它可以是空间、时间或光谱上的叠加。

例如激光聚变研究，已采用了几十、上百路的空间叠加合成【10】。

多路脉冲激光可以从时间上叠加成同一光路的重复频率更高的激光。

但相干功率合成在有的应用场合更是迫切需要的。

高功率光纤的相干合成还没有实质性的突破，为了发展成武器级的应用，光纤激光器的相干合成技术已成为研究热点【11】。

但目前仅有中小功率范围的研究结果，而且相干合成后系统的复杂性大为增加。

其中一个重要原因是光纤是一个对物理量极其敏感的元件，在高平均功率下控制其波面远比块状介质的难。

因此，高功率新相干合成技术的理论、实验都有待突破。

如果高功率光纤激光器相干合成技术能进入实用，将构成新一代超高平均功率激光器，特别是建成“相控阵”激光器，其意义将是不可估量的。

随着双包层光纤技术、高功率抽运源技术和抽运技术的发展，单根光纤激光器的连续输出功率很快从百瓦量级发展到千瓦量级。

双包层光纤结构如图1-6所示。

图1-6双包层光纤示意图

2高功率固体激光器技术研究

2.1热容激光技术

固态激光器热容运转技术由美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室1998年提出的【12】。

激光器先在无冷却的条件下发射激光，当激光发射停止时再对晶体进行冷却。

该运转模式突破性地从时间上将激光发射和晶体冷却分为两个交替发生、相辅相成的阶段，大大降低了传统冷却方式中由于晶体表面及其内部温度梯度过大而导致的光学畸变和物理变形等不利影响，因此发射的激光能同时具有高的输出功率和光束质量，而且可以使用大尺寸激光晶体以提高输出功率。

该运转方式利用固体激光介质的热容存储废热，以减小温度梯度造成的热畸变，所以需要使用热容较大的增益介质材料，发射激光时废热存储在增益介质里，所以发射激光时间不能过长，只能间歇式工作，通常在秒级。

热容激光器最常用的激光晶体是Nd：

GGG，近年来也逐步开始采用Nd：

YAG，尤其是大尺寸的陶瓷Nd：

YAG。

这种陶瓷材料不仅具有单晶的光学性能，而且由于陶瓷材料的制备工艺与单晶生长完全不同，不受坩锅和晶体应变限制，可制备大尺寸陶瓷激光材料，而且制备周期短，仅为单晶生长周期的几十分之一；费用低，有利于大规模生产；易于掺杂等优点，成为最受关注的激光晶体之一。

热应力造成固体工作介质破坏，从而限制了固体激光器的最大输出平均功率。

抽运光通过表面进入工作介质，冷却也是通过表面进行的。

通常工作时抽运和冷却是同时进行的，工作介质表面的温度比内部的低，表面受到拉应力。

热容激光技术在抽运和激光发射期间不对工作介质冷却，激光发射停止后的间歇期间才对工作介质冷却，然后进入下一个循环。

因此激光发射期间工作介质表面的温度比内部的高。

表面受到压应力。

由于固体激光工作介质抗压远大于抗拉，因此，热容模式工作时，工作介质可承受比通常工作模式高几倍的平均功率而不致因热应力造成破坏。

由于间歇时间致冷，可以采用自然风冷，整体结构减小，适合某些军用场合。

热容工作模式的一个缺点是需要间歇时间以便对工作介质进行冷却。

如果用已冷却的工作介质代替受热的，那么就可以缩短激光系统运转的间歇时间【13】。

热容模式工作时，不专门对工作介质进行冷却，工程上既没有、也没有必要对工作介质热绝缘。

虽然工作介质中的热畸变比常规模式工作的低，但由于介质要向周围环境散热，以及抽运的不均匀等，必然要在工作介质中造成热畸变，因此热容模式工作不应作为获得高光束质量的一种手段。

几乎所有几何形状的块状固体介质都采用热容激光技术，高功率固体激光器大多采用盘片状工作介质，这是因为各种瞬态光-机形变与工作介质的几何形状有关，盘片激光介质的热特性良好，而且可以使其变形与激光轴线方向基本一致，因此可保持良好的光束质量，而且通过增加盘片的面积和数量可以增加激光系统的输出功率。

2.2激光相干合成技术

自从激光技术产生之日起，具有高功率和高质量特性的激光系统就是人们不断追求和发展的目标，为实现这一目标，有两种方式：

1、通过设计优化等方式提高单个激光器的输出功率；2、采用若干较低输出功率的激光器组成的阵列进行组束输出，获得高功率的同时保持高的光束质量。

第二种方式就称为激光相干合成技术，从另一方面看，这种技术可以将现有的组束技术和激光器技术结合起来，是一种技术的集成，它可以直接利用众多成熟的中小功率激光器的技术研究成果，可以避免大功率器件所特有的光学非线性效应和工作介质的光学损伤、热损伤等问题，可以在不显著劣化单台激光器良好光束质量的情况下获得比单台激光器输出功率高得多的激光束。

它的典型代表是2003年由美国诺格公司提出的MOPA结构。

2006年，该研究所

采用这种结构成功地将2个激光放大链输出的激光锁相相干合成，得到功率19kW，光束质量小于2倍衍射极限的激光输出。

单台固体激光器虽然可以通过定标放大提高输出功率，由于受到稳定性、热效应、激光介质本身特性等结构因素的限制，目前很难获得超过万瓦的高光束质量输出【14】