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发光学报(特约综述)| 太阳光直接泵浦固体激光器研究进展

日期: 2021-02-03
浏览次数: 10

  来源:中国光学

太阳光直接泵浦固体激光器相对于传统二极管泵浦激光器具有能耗低、效率高等优势,在大气传感、深空通信及国防安全等重要领域具有极大的应用潜力,战略意义重大。因此,设计高效的阳光收集光学系统、选择及开发对可见光波段具有高匹配度、高吸收量和高转化效率的增益介质极为重要。

近日,江苏师范大学陈浩教授团队在《发光学报》发表了题为“太阳光直接泵浦固体激光器研究进展”的综述文章。

该综述重点介绍了太阳光直接泵浦固体激光器的阳光收集光学系统、增益介质及泵浦系统设计的国内外研究进展,揭示了其与激光输出质量及光转化效率提升的定向关联。提出在太阳光直接泵浦固体激光器发展中,高汇聚效率及高功率的激光输出是核心研究目标,而高品质增益介质是实现上述目标的关键所在。最后,展望了太阳光直接泵浦固体激光器的未来发展趋势。

1 引言

激光技术可实现能量集中、单向传播距离较长、辐射亮度高等功能,是目前最重要的科学技术手段之一,在医疗、环保、半导体和航空航天工业等领域具有广泛的应用。与其他类型激光器相比,固体激光器更易于实现高峰值功率输出,且结构简单,可靠性好,在激光应用领域一直处于主导地位。相对于LD泵浦,太阳光泵浦固体激光器以太阳光作为泵浦源,能够充分克服LD泵浦的固有缺陷,应用前景广阔。在太阳光转化效率方面,目前最成熟的光转化方案是通过太阳能电池将太阳能转化成电能,为半导体泵浦源提供能量;然后通过半导体泵浦源激励增益介质,实现激光输出。然而该方式中较多的中间环节导致其光转化效率最高仅为1.5%,且设备复杂、成本极高,远无法满足发展需求。因此,若采用太阳光直接泵浦增益介质方式,实现光-光直接转化,必将有效克服上述缺陷,在大幅提升光转化效率的同时,促进激光系统的集成化,降低成本。

2  太阳光直接泵浦固体激光器的激光增益介质研究进展

增益介质是固体激光器的核心,其决定激光输出波长和光转化效率。如前所述,太阳光的能量主要集中在可见光波段,增益介质只有同时满足对可见光的高匹配度、高吸收量和高转化效率,才能充分提高泵浦效率,实现高质量太阳光泵浦固体激光输出。因此,选择和开发适用于太阳光直接泵浦固体激光器的增益介质尤为关键。在太阳光直接泵浦固体激光器中,玻璃及玻璃光纤、单晶和陶瓷是目前最常用的增益介质。

(1)玻璃及玻璃光纤

玻璃介质的优势在于制备工艺简单、易于实现大尺寸制备、掺杂均匀性好及散射损耗低,是太阳光直接泵浦固体激光器的常用增益介质。其光学吸收、荧光寿命及量子效率等特性表明,其能够充分提升太阳光直接泵浦固体激光器的可靠性和性价比。然而,玻璃介质具有热导率低、热稳定性差、机械性能差等本征缺陷,极大地限制了其在高功率太阳光直接泵浦固体激光器中的应用。而采用先进拉丝技术,将块状玻璃介质制备成具有良好散热性能的增益光纤,不仅能够有效改善激光介质在高功率激光运转过程中因温度过高导致的转换效率降低及光猝灭现象,而且能够充分克服块状玻璃介质的缺陷,在太阳光直接泵浦固体激光器方面应用前景广阔。

因此,采用光纤作为太阳光直接泵浦固体激光器增益介质在实现高功率激光输出方面具有极大潜力,并获得了广泛关注。但采用光纤介质在设计方面难度较大,如太阳光泵浦单束光纤需要尽可能追求小汇聚光斑,对太阳光收集系统要求极高。尽管采用组合光纤束方式能够缓解上述问题,但极易造成较大的功率损耗,降低光输出效率。此外,在太阳光直接泵浦光纤介质固体激光器的理论研究及实验模拟方面,鲜有深入分析报道,仍需进一步探索。

(2)激光晶体

单晶具有散射损耗低、热导率高、热膨胀系数小、机械强度高和化学稳定性好等特性,有利于实现高功率、高效率激光输出,得到了广泛研究。其中,Nd∶YAG晶体具有熔点高、量子效率高、抗蠕变能力强、透光范围广等优势,其较低的声子能量有利于抑制无辐射跃迁,提高激光输出效率。同时,Nd3+离子具有四能级结构,有利于降低激光阈值,且Nd3+离子在可见光波段具有丰富的吸收带,能够实现对太阳光的有效吸收,成为目前最常用的太阳光直接泵浦固体激光器增益介质。然而,Nd3+离子作为镧系稀土离子,其电子跃迁属于典型的f-f跃迁。由于Nd3+离子4f壳层内的电子受到5s25p6壳层的屏蔽,使其f-f跃迁受周围晶体场的影响较小,导致了其窄线谱吸收特性,难以实现对宽谱带、非相干特性的太阳光的高效吸收。而Cr3+离子在可见光波段具有宽范围、强吸收特性,其吸收太阳辐射能力强于Ce3+离子,远高于Nd3+离子,发射带与Nd3+离子的吸收带高度重合,因此可将吸收的太阳光能量有效地传递给Nd3+离子,实现Cr敏化太阳光泵浦固体激光输出。Cr3+-Nd3+离子间能量传输机制如图1所示。

发光学报(特约综述)| 太阳光直接泵浦固体激光器研究进展

图1  Cr3+与Nd3+离子间能量传递示意图


除Cr,Nd: YAG晶体外,目前能够实现Cr,Nd共掺杂太阳光泵浦固体激光器增益介质主要有Cr:Nd: GSGG (Gd3Sc2Ga3O12),Cr:Nd: GGG (Gd3Ga5O12),Cr:Nd: YSGG (Y3Sc2Ga3O12)等。然而,虽然Cr:Nd: GSGG,Cr:Nd: GGG,Cr:Nd: YSGG具有比Nd: YAG更高的抗辐射性能,但其发射截面和热导率远低于YAG,不利于连续高功率激光运转。因此,Cr,Nd共掺杂的YAG材料成为最佳选择。

单晶材料作为目前固体激光器最常用的激光增益介质,有将近60年的发展历史,但依然存在制备成本高、能耗大、制备周期长(可达1个月)、均匀性差、难以实现大尺寸制备及高浓度掺杂等问题。上述问题迄今未能有效解决,极大地限制了其在太阳光泵浦激光器中的实际应用。

(3)透明激光陶瓷

相对于单晶材料,透明陶瓷作为新一代固体激光增益介质,其仅通过高温烧结原料粉体便能实现材料的致密化,制备温度远低于材料熔点,制备周期仅为1周。同时,陶瓷材料以其多晶态本征特性,易于实现高浓度、均匀化的离子掺杂。特别地,只有大尺寸的固体激光增益介质才能够真正实现其空天太阳光泵浦激光应用,而透明陶瓷的尺寸仅取决于成型模具大小。透明陶瓷是目前固体激光材料研究的热点和重点,与激光光纤一起被称作是“最具有开发潜力的激光材料”,发展前景广阔。对于太阳光直接泵浦固体激光器,目前常用的透明陶瓷基增益介质为Cr,Nd: YAG。Saiki等采用白光激发的方式,将Cr,Nd: YAG透明陶瓷激光输出功率突破千瓦量级,且光转化效率高达63%,其激光装置图如图2所示。

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图2 采用太阳光泵浦Cr,Nd: YAG透明陶瓷提升输出功率示意图


实现高质量、适用于太空环境下的陶瓷基增益介质制备,对于突破太阳光直接泵浦激光器长期发展的桎梏,满足我国未来空天战略需求意义重大。但从整体上来看,我国关于陶瓷基太阳光直接泵浦固体激光器增益介质的研究仍在起步阶段,相关激光输出的报道较少,与国外先进水平相比仍有差距。因此,我国仍需进一步加大对透明陶瓷的研发力度,方能满足未来太阳光直接泵浦激光器的实际发展需求,缩小与国外先进水平的差距。

(4)复合结构增益介质

对于太阳光直接泵浦固体激光器,单一结构单晶或陶瓷介质在激光运转过程中,极易导致其热量分布不均匀,造成热透镜效应,降低激光输出性能。采用键合结构单晶/陶瓷介质可有效改善激光介质在激光运转时的热效应,进而实现稳定的激光输出。不仅如此,键合结构固体激光材料能够通过多元化结构设计,实现固体激光器的多功能应用,发展潜力巨大。北京理工大学采用直径6 mm、长度95 mm、槽距0.6 mm、槽深0.1 mm的Nd: YAG/YAG键合晶体棒,如图3所示,实现了收集效率为32.1 W/m2、斜效率为5.4%、光转换效率为3.3%的连续激光输出。然而,单晶材料之间的键合结合面强度较弱,极易产生空气间隙造成光散射,降低激光输出性能。

发光学报(特约综述)| 太阳光直接泵浦固体激光器研究进展

图3 泵浦腔与Nd: YAG/YAG键合晶体棒结合原理图


相对于单晶键合技术,透明激光陶瓷能够采用高温烧结技术,通过热扩散方式消除键合面之间的缝隙,其在键合强度方面远高于键合单晶介质,在固体激光应用方面潜力巨大。目前,复合结构透明陶瓷已经成为固体激光增益介质的主要发展方向之一。表1展示了不同结构的复合型Nd: YAG陶瓷的激光输出特性,也充分体现出复合结构透明陶瓷作为激光增益介质的优势。


表1 不同复合结构Nd: YAG透明陶瓷及其激光特性

发光学报(特约综述)| 太阳光直接泵浦固体激光器研究进展

复合结构透明陶瓷介质在未来高功率激光输出方面具有无限潜力,其极大程度缓解了热透镜效应,且相比单晶,复合陶瓷在尺寸形状变化、高掺杂浓度以及极端天气应对方面具有很高的灵活性、均匀性与稳定性,在未来空天应用的无限潜力毋庸置疑。

3 问题与展望

太阳光直接泵浦固体激光器的重要性已引起了极大关注,并取得较大进展,但仍然存在一些问题,如在激光增益介质方面:

(1)激光单晶是太阳光泵浦固体激光器最常用增益介质,但单晶制备过程复杂且无法实现高浓度均匀掺杂。因此,实现增益介质的制备工艺优化是实现高质量太阳光泵浦固体激光输出的基础。

(2)太阳光的能量密度远低于二极管泵浦光,实现对太阳光的有效吸收是实现高质量太阳光泵浦固体激光输出的前提。如前所述,截至目前,鲜有高浓度Cr离子掺杂增益介质的有效价态调控报道。

(3)宇宙空间中存在大量紫外线及高能射线,极易导致增益介质产生大量缺陷及色心。因此,如何充分调控增益介质制备工艺以实现其有效电荷补偿,或采用多功能复合结构增益介质设计使其对高能射线造成有效屏蔽,进而充分克服高能射线的不利影响,是实现太阳光泵浦固体激光器实际空天应用的重点和难点。

(4)由于技术条件限制,单晶难以实现大尺寸制备。尽管透明陶瓷介质的尺寸取决于模具大小,但实现其大尺寸制备仍然存在许多技术难题,主要体现在烧结时受热不均匀、造成烧结收缩不一致甚至开裂。因此需要进一步优化陶瓷粉体流动性及分散性,以增加陶瓷素坯的微观均匀性,提升陶瓷质量。

因此,实现增益介质品质的本质提升是重中之重,其对于提升太阳光直接泵浦固体激光器输出功率、提高太阳光转化效率、优化光束质量及光谱调控至关重要。

透明陶瓷作为新一代固体激光器增益介质,其在大尺寸制备、掺杂设计及结构设计等方面相对单晶及玻璃介质具有明显优势。而通过上述分析可知,实现透明陶瓷介质品质的本质提升是达成上述目标的关键。在激光输出功率提升方面,其核心在于采用具有大尺寸、低散射损耗、高热导率的增益介质;在太阳光转化效率提升方面,其核心在于尽可能提高太阳辐射能吸收量及能量转化效率,因此需要在掺杂技术上有所突破;在光束质量提升及光谱调控方面,其核心在于在材料结构上有所突破。

目前,我国在太阳光直接泵浦固体激光器的研究方面与国际先进领域虽然存在较大差距,但随着我国在该方面研究的投入不断加大,科研工作不断深入,我们有理由相信,我国在太阳光直接泵浦固体激光器实现高质量激光输出方面必将取得重大突破,使其在军民应用中造福人类的愿景成为现实。


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