解决固体激光技术难题

    周寿桓：中国工程院院士，研究员，博士生导师;信息产业部电子科技委常委;国家激光标委会副主任;中国电子学会常务理事、光电子分会秘书长；国防科技创新团队带头人。   

　　1962年中国科学技术大学物理系毕业，同年，国防科委10院11所(现中电科技集团第11研究所)任技术员，1987年任研究员。1994年8月-1996年12月美国纽约市立大学高级访问学者。  

　　1964年起从事固体激光工程及应用研究，主攻：全固态、高光束质量、高平均功率、非线性频率变换等。共获国家发明二等奖1次；国家科技进步二等奖1次，三等奖2次；部级一等奖4次，二等奖7次，三等奖5次；专利13项；发表论文60多篇。  

　　1962年   

    中国电子学会成立，刚好，我在这年大学毕业参加工作，正式成为电子行业的一员。此后，学会始终是我们的“家”。在学会的组织，前辈的关怀、教导下，我们慢慢成长。在此学会成立45周年之际，愿以拙文庆贺。  

　　赶上美国同类研究  

　　在钱老的建议下，11所开始筹建固体激光实验室。1964年底，研制成功一台实验用红宝石激光器。由于我所的特点，激光器出光的同时，立即想到如何应用。尽管当时研究室刚开始筹建，当时在国内外激光都还完全是一个“新生事物”，连个准确、统一的称呼都没有(“激光”这个词是在几年后经钱老提议才确定的)。经过大量调研，客观分析激光的特点、发展前景、可能应用场合等，梅遂生同志提出以“光雷达为纲”的建室方针，并以导弹靶场外弹道测量为突破口。围绕这一总体目标开展了高重复频率高光束质量固体激光器、高重复频率脉冲氙灯、Nd：YAG晶体、精密测距计数器、高灵敏激光接收机、弹载合作目标、优质光学薄膜、精密光机设计加工与装调等一系列研究工作。而且，一开始就把实验室研究与外场试验紧密结合起来。用研制的设备支持外场试验，用外场试验暴露的问题和取得的经验指导设备的研制，二者相互促进。在国内外都没有成功报道和可供借鉴资料的情况下，经过短短5年的艰苦奋斗，终于取得重大突破，为我国靶场测量增添了一种崭新的手段。  

　　根据后来美国发表的消息，上述工作与美国的同类研究几乎是同时进行的，但某些方面还略胜一筹。随后，这项技术取得显著成绩，与兄弟单位一起，于1985年获国家科技进步特等奖。  

　　提出以“光雷达为纲”的建室方针，在当时到处以“阶级斗争为纲”的情况下需要多大的睿智和勇气啊！有了明确的目标，就能团结大家艰苦奋斗、刻苦钻研，其结果不仅获得了一大批科研成果，使当时看来几乎是梦想的目标变为现实。而且发展了一批拳头产品，培养了一批与应用要求配套、技术精良、作风过硬的工程技术人员，形成了独具特色的11所科研团队。这才使得我所在今天激烈竞争的环境中能占有一席之地，并有可能向更高的目标前进。  

　　激光器有害热效应需解决  

　　对固体激光器来说，泵浦源提供工作介质产生激光所必须的能量，同时伴随产生大量的无用热。为使激光器持续稳定运转，必须及时带走这些无用热。于是导致热透镜、应力、退偏、双折射等不良效应，这些效应使激光光束质量、输出功率下降，甚至造成工作介质破坏。  

　　为实现我们的奋斗目标，一个重大难关是在脉冲峰值功率数十兆瓦时，激光器高重复频率工作(起码要高于10赫兹)，当时红宝石激光器只能在低于1赫兹下单脉冲工作。因为上世纪60年代中，可供使用的固体激光介质是红宝石晶体，它属三能级系统，阈值高，所需泵浦能量很高，在晶体中产生大量无用热。而且，当时泵浦源(氙灯)本身就不能在如此高的输出能量下高重复频率工作。一开始我们就必须与伴随激光而产生的有害热效应进行不懈的斗争。这是一个已经取得了重大成果，但又没有完全解决的棘手问题。归纳起来，进行了三方面的工作：  

　　1、尽可能减少进入工作介质的无用热，应该说这是最根本的办法。  

　　2、如果不能完全阻止在工作介质中造成无用热，那么如何用最有效、不良影响最小的方法导出无用热。  

　　3、最后，上述措施都未能避免的有害热影响将造成激光光束质量、输出功率下降，甚至工作介质破坏，如何减少、补偿这些不良影响就是需要解决的问题。  

　　消除无用热三大手段  

　　1、减少甚至消除进入工作介质的热。  

　　低阈值、高效率工作介质。  

　　Nd：YAG晶体的研制成功是一大进展，它属四能级系统，物化性能都很优越，相同激光输出功率下，所需泵浦功率远低于红宝石激光器，大大降低了无用热。我所1965年开始研制，上世纪70年代初生长出可用的晶体。迄今，综合性能仍然是最好的一种固体激光介质。  

　　掺杂滤光液。  

　　在工作介质的冷却液中掺入可吸收红外辐射，而透过有用的泵浦辐射的杂质。可惜由于红外辐射   

    光谱太宽，一直没有发现满意的这类掺杂物质，要么作用不大，要么大量吸收有用泵浦辐射，而且还造成聚光腔的污染，因此近年来已基本上不再继续采用这种方法。  

　　吸热玻璃套。  

　　在工作介质或泵灯的周围套一个掺杂的玻璃管，利用掺杂的玻璃把工作介质和泵灯隔开。与滤光液一样，消除红外热效果不大，但消除紫外效果明显，而且不会造成污染，因此目前有的地方还在采用。  

　　也可以换成镀介质膜的玻璃管，要求所镀的介质膜对泵浦光高透，对红外辐射高反。由于镀膜费用较高，又没有如此宽带的红外高反膜，因此费用不低，效果不显著，也很少采用了。  

　　介质膜聚光腔。  

　　只有一部分泵浦光是直接照射到工作介质，而其他的，以及进入工作介质而没用被吸收的泵浦光，要通过聚光腔的一次或多次反射后被工作介质吸收，因此在聚光腔上镀反射泵浦光、透射红外光的介质膜有利于消除进入工作介质中的无用热。但介质膜的透射谱远不能包含泵灯的全部红外辐射，另外介质膜的反射、透射特性只对应在一个小的入射角内。随入射角增大，对泵浦光的反射、透射率也随之下降，其结果是影响泵浦效率。因此，目前很少采用了。  

　　钾铷灯。  

　　钾-铷灯的辐射谱可以与Nd：YAG的一个吸收带匹配，因此应该能明显降低红外辐射热而被寄予很大希望。但最大的困难是碱金属蒸汽对灯管壁的严重腐蚀，即便采用白宝石也不能幸免，因此没有得到实际应用。  

　　LD泵浦。  

　　这是迄今减少进入固体激光器无用热最有成效的一种方法。由于光谱匹配，用半导体激光二极管(LD-laser diode)代替闪光灯泵浦固体激光介质，大大降低了无用热，可以获得很高的光束质量。LD的寿命、效率都远远超过泵灯，激光器整体效率显著提高，整机寿命、可靠性提高。相对于传统灯泵浦的固体激光器而言，LD泵浦的固体激光器(DPSSL-diode pumped solid-state laser)中的元部件都是“固态的”，因此又称为全固态激光器。  

　　随着LD阵列输出功率的增加、光束质量的改善，有的应用场合已经可以直接采用LD，不必通过泵浦固体工作介质这一中间环节，效率大大提高，废热显著降低，因而将成为DPSSL最大的潜在竞争者。由于习惯上半导体激光器不属于固体激光器，因此本文不涉及。LD泵浦大大减轻了无用热，但并没有完全消除。如果能够完全消除无用热，那么固体激光器的光束质量和输出平均功率将有极大的提高，可惜，迄今还没有找到这样的方法。  

　　低热泵浦。

　　从Nd：YAG特性可以看出，即便泵浦光与吸收带完全匹配，由于量子缺陷，工作介质中仍然要产生无用热。于是发展了直接泵浦(把基态粒子直接泵浦到激光上能级3，而不通过能级4)、热助推(把基态上热激励的斯托克斯能级上的粒子直接泵浦到激光上能级3)、辐射平衡等方法和设想；采用准三能级系统可以降低量子缺陷，但对泵浦功率密度、均匀性等有很高的要求；非线性效应(例如光参量放大)不是基于能级跃迁，可以避免量子缺陷带来的无用热等。  

　　2、对工作介质进行有效散热。  

　　为使激光器持续稳定运转，必须及时、有效地带走泵浦在工作介质中造成的无用热，同时还应该尽力避免由于散热造成工作介质中的热畸变，导致热透镜、应力、退偏、双折射等从而影响激光光束质量。“有效散热”是指高效率、“即时”移出工作介质中的无用热，并在工作介质中造成最小的不良影响。  

　　对工作介质散热可采用气体、液体、混合液、高速湍流、热管、传导冷却、微通道冷却结构等。尽管用这些方法已能满足很多应用需要，但有效散热仍然是当前超高平均功率激光发展的一大障碍，亟待技术上有创新性的突破。  

　　3、减小、补偿热影响。  

　　减少、补偿无用热造成不利影响的方法很多，涉及面很宽，取得了大量丰硕的成果，目前仍在不断发展中，举例如下：  

　　*使热流与激光方向一致，热畸变对激光光束质量的影响减小；  

　　*合理设计工作介质的几何形状，以利于有效散热，例如采用园棒、管状、板条、盘片、光纤等；  

　　*采用受激布里渊散射(SBS-stimulated Brillouin scattering)相位共轭镜、变形镜等校正光束畸变；  

　　*采用退偏补偿、损耗再利用等提高输出功率；  

　　*减小热梯度，例如合理设计掺杂浓度，泵浦强度和分布等。掺杂浓度太高、泵浦结构设计不合理等将造成泵浦不均匀，介质中的热分布也不均匀，畸变大。  

　　上面描述的各项技术是在克服固体激光器中有害热所发展起来的，其中有的已被更有效、更先进的技术所取代，有的至今仍在使用，而且不断有新的进展。  

　　回顾四十几年来我所走过的这一段艰苦创业之路，我们体会到研究工作一定要有长远的、明确的应用方向。为了满足应用和可持续发展，又必须坚持深入、系统地开展基础研究。