本文作者曾麗(li) 娜，錢一衝(chong) ，李林，李再金，趙誌斌，喬(qiao) 忠良，曲軼，彭鴻雁，海南師範大學，物理與(yu) 電子工程學院，僅(jin) 作交流學習(xi) 之用，感謝分享！

1. 引言

近年來，二極管激光技術的日益完善和二極管激光器件性能的大幅提升，高功率激光二極管泵浦固體(ti) 激光技術獲得了快速發展，克服了傳(chuan) 統燈泵浦的激光器整體(ti) 轉換效率低、不靈活、溫度高等缺點。激光二極管泵浦固體(ti) 激光器集半導體(ti) 激光器效率高、壽命長的優(you) 點以及泵浦固體(ti) 激光器光束質量好的優(you) 點，人們(men) 對研製新型激光二極管泵浦固體(ti) 激光器的興(xing) 趣不斷增加。相比於(yu) 傳(chuan) 統的燈泵浦固體(ti) 激光器，激光二極管泵浦固體(ti) 激光器具體(ti) 優(you) 勢在於(yu) ，泵浦波長易於(yu) 介質吸收峰很好對應，具有高量子效率，電–光轉換效率可達 25%~45%，連續工作時長可達 15,000 小時。

激光二極管泵浦的固體(ti) 激光材料，如 Pr:YAG及其係列，可使整體(ti) 能量轉換效率提高，體(ti) 積變小，提高輸出功率穩定性，壽命增加。由於(yu) 整體(ti) 轉換效率的提高，在相同的輸出功率下，大大降低了激光二極管泵浦固體(ti) 激光器的熱效應，容易實現穩定和操控的單橫模、單縱模的輸出。本文主要從(cong) 激光二極管固體(ti) 材料、泵浦方式、泵浦的散熱特性三個(ge) 方麵，介紹大功率激光二極管泵浦固體(ti) 激光技術的發展曆史以及國內(nei) 外研究進展。

2. 新的固體(ti) 激光材料

材料是激光二極管泵浦的基本，隨著材料性能的提高，激光二極管泵浦的性能會(hui) 得到相應提升。最初的激光器介質采用紅寶石晶體(ti) ，由於(yu) 紅寶石的激發效率較低，不適合連續工作，而且紅寶石的晶體(ti) 性能容易受外界溫度的影響，不適合在室溫下做持續的多激光重頻組件。繼紅寶石晶體(ti) 後，適合作為(wei) 激光器材料有藍寶石、釔鋁石榴石等晶體(ti) 。在隨後十幾年的科研人員試驗研究中，發現了比紅寶石材料性能更好的玻璃材料，相比於(yu) 紅寶石等晶體(ti) 材料，玻璃材料容易製造，具有良好的光學質量，而且還可以做成很大的體(ti) 積，產(chan) 生高輸出能量。但是，玻璃材料導熱性差，熱膨脹係數大，不適合連續或高重複頻率的工作，製約了玻璃材料更大的發展。

近年來，隨著透明陶瓷的研製成功，最近出現的性能優(you) 異的多晶陶瓷激光材料有釔鋁石榴石(YAG) 和氟化鑥鋰晶體(ti) (LiLuF4)。釔鋁石榴石的化學式為(wei) Y3Al5O12，是由 Y2O3 和 Al2O3 反應生成的一種複合氧化物，屬立方晶係，具有石榴石結構，其物理和化學特性決(jue) 定了它具有很好的導熱性。氟化鑥鋰晶體(ti) 具有光束能量高、寬波段光學透過性高、物化穩定性好等特點。在摻有釔鋁石榴石的激光介質中，如 Pr:YAG(摻鐠釔鋁石榴石晶體(ti) )，Ho3+，Pr3+:LiLuF4 (摻鈥鐠氟化鑥鋰晶體(ti) )等，對激光二極管泵浦固體(ti) 激光器會(hui) 產(chan) 生更好的性能。和玻璃材料相比，陶瓷的導熱率通常要大的多，和紅寶石等晶體(ti) 相比，陶瓷製造周期短，造價(jia) 低，而且陶瓷中可以均勻摻進高濃度的激活粒子，可以製造出大尺寸的陶瓷激光介質樣品。

在二極管激光器材料的選擇中，能級壽命是一個(ge) 很重要的參數，能級壽命越大，該激光器的性能越好。在摻雜了 Ho3+ (正三價(jia) 鈥離子)的激光晶體(ti) 中，激光兩(liang) 個(ge) 比較強的輸出範圍分別是在 1.1 µm 和 1.9 µm附近，在隻摻 Ho3+離子的 LiLuF4晶體(ti) 中，5I7相比 5I6能級壽命大的很多，激光在 3 µm 波段隻能脈衝(chong) 輸出，不能連續輸出，摻 Ho3+，Pr3+的 LiLuF4晶體(ti) 能級示意圖如圖 1 所示。

2016年上海第二工業(ye) 大學王勝利等人在實驗中采取在Ho:LiLuF4晶體(ti) 中摻雜Pr3+離子，借助Pr3+離子和 Ho3+離子中的能量傳(chuan) 遞，以減少 Ho3+離子的 5I7能級壽命。晶體(ti) 的能量傳(chuan) 遞滿足 3 µm (5I6 → 5I7)波段激光連續輸出的要求，利用 1.1 µm 的激光二極管泵浦 Ho3+，Pr3+:LiLuF4晶體(ti) ，產(chan) 生 3 µm 激光。王勝利等人實驗所用 Ho3+，Pr3+:LiLuF4晶體(ti) 中摻雜 Ho3+離子和 Pr3+離子百分含量分別為(wei) 3%和 0.5%，晶體(ti) 大小為(wei) 3 × 3 × 30 mm3。泵浦源激光波長在1.140~1.150µm之間，激光器的輸出方式為(wei) 光纖耦合。實驗所得最大激光輸出功率為(wei) 50mW，連續在激光波長為(wei) 2934nm輸出下，得出斜率效率恒定在22.6%左右。在該實驗最大功率時下，激光束質量因子M2(越小越好)因子約為(wei) 4。

Pr(鐠)元素是稀土元素，稀土元素摻雜進增益介質中可以拓展激光的波長，激光波長越長，激光器的製作和成本也就越低。Pr3+離子最外層電子數為(wei) 2，次外層失去一個(ge) 電子和最外層電子全部失去後變成Pr3+離子。在激光二極管激光器中，人們(men) 對尋找可見激光二極管泵浦的新型固體(ti) 增益介質的腳步從(cong) 未停歇，在眾(zhong) 多適合激光二極管泵浦的介質中，特別是眾(zhong) 多的三價(jia) 稀土離子，如Eu3+、Pr3+、Gd3+、Ce3+、Tm3+等摻雜進固體(ti) 增益介質中，會(hui) 對激光二極管泵浦效果產(chan) 生不同的有益影響。而三價(jia) 稀土離子 Pr3+由於(yu) 其原子核能級結構和在各個(ge) 原子層總中容易發生躍遷關(guan) 係，可以促進其在許多自然光波段的能級躍遷，如藍、綠、橙、紅和深紅光，可以直接實現可見光波段的激光輸出，特別適用於(yu) 藍色激光二極管泵浦的激光增益介質。采用激光二極管泵浦Pr3+:LiYF4激光晶體(ti) 均獲得高功率連續激光輸出。2015 年報道了激光二極管泵浦的 108 W 高光束質量激光輸出，表明藍光激光二極管直接泵浦激光氟化物晶體(ti) 獲得的最高輸出功率，具有十分良好的研究前景。

2017 年山東(dong) 大學張懷金等人總結了近幾年國內(nei) 外摻 Pr3+激光增益介質的研究進展和趨勢，以藍光激光二極管為(wei) 泵浦源，摻 Pr3+離子的 GdLiF4 (氟化釓鋰晶體(ti) )為(wei) 增益介質，采用二維可飽和吸收材料 MoS2 (二硫化鉬)，分別研究了摻 Pr3+氟化物增益介質在全固態調Q 脈衝(chong) 激光和全固態鎖模脈衝(chong) 激光，Pr3+離子的GdLiF4增益介質在脈衝(chong) 可見激光輸出上將會(hui) 有更大的應用潛能。根據Kerr透鏡鎖模原理，通過調整諧振腔和晶體(ti) ，實現了522，607，639和720nm四種自鎖模式穩定的超快脈衝(chong) 激光輸出。和以半導體(ti) 可飽和吸收鏡(SESAM)為(wei) 光調製器件的紅光鎖模脈衝(chong) 結果相比，實驗結果平均輸出功率遠高於(yu) SESAM的輸出功率且其脈衝(chong) 寬度相差不大。和SESAM相比，Pr3+離子的GdLiF4增益介質具有製備簡單、使用波長寬和層數可控的優(you) 點。

3. 泵浦方式

根據激光二極管封裝和輸出光束的特點，激光二極管泵浦固體(ti) 激光器的泵浦方式一般情況下可以分為(wei) 端麵泵浦和側(ce) 麵泵浦，兩(liang) 種激光泵浦方式各自具有其獨特的優(you) 勢，同時又具有不同的缺點。探索端麵泵浦和側(ce) 麵泵浦的輸出特性對激光器的設計和改進都具有重要意義(yi) 。

激光二極管直接端麵泵浦，激光進行縱向泵浦，激光二極管陣列產(chan) 生泵浦光，通過會(hui) 聚光學係統(包含自聚焦透鏡和組合透鏡等)耦合輸入激光，然後激光從(cong) 軸向方向進入激光晶體(ti) ，最後通過輸出鏡輸出。泵浦光傳(chuan) 播方向與(yu) 振蕩光方向一致，實現了泵浦光與(yu) 振蕩光的空間耦合。端麵泵浦可以通過泵浦光的空間分布控製激光晶體(ti) 內(nei) 的增益及熱效應的空間分布，控製振蕩光模式，有效提高激光二極管泵浦固體(ti) 激光的整體(ti) 光-光轉換效率，控製輸出激光模式。一般情況下，單管或光纖耦合輸出的激光二極管常采用端麵泵浦的方式。激光增益介質在泵浦源的一端塗覆有 808 nm 寬帶增透膜和1064nm高反射率膜，使激光二極管固體(ti) 激光器振蕩放大輸出。通過耦合係統和激光腔結構的合理設計，泵浦光束與(yu) 諧振腔模可以較好匹配，增益介質能夠充分的吸收泵浦光，因而閾值低，斜效率高，容易實現TEMOO模激光輸出(激光束橫截麵上的強度分布)，例如激光二極管泵浦Pr:YVO4晶體(ti) 斜效率可達 72%。目前，隨著聚光係統的不斷改進，大功率激光二維陣列也可實現端麵泵浦方式。

端麵泵浦也有局限性，由於(yu) 泵光過分聚焦在很小的區域內(nei) ，因此會(hui) 在激光增益介質中產(chan) 生嚴(yan) 重的熱效應，致使激光輸出功率嚴(yan) 重下降、激光品質下降。過高的工作功率往往會(hui) 造成激光增益介質的損壞，所以端麵泵浦的功率不能太大，對不同的增益介質來說，可以實現的最大泵浦功率不相同，一般為(wei) 百瓦量級泵浦功率輸出。目前國內(nei) 開展激光二極管固體(ti) 端麵泵浦研究的單位有，中國科學院物理所光物理實驗室、國科學院長春光機所、中國科技大學、中國工程物理研究院電子學研究所、西安電子科技大學等。國外的研究單位是德國夫朗和費研究所、日本三菱公司、美國 HRL (休斯研究實驗室)、德國 Rofin 激光公司等。

側(ce) 麵泵浦即橫向泵浦，是指將來自增益介質側(ce) 麵的泵浦光射進到增益介質中，並且激光器的模式是沿著增益介質的長度進行振蕩。側(ce) 麵泵浦二極管固體(ti) 激光器的工作方式是，在板條介質的一端用激光二極管陣列，另一端是反射板，使激光大量聚合到增益介質中，如圖2所示。通常，為(wei) 了獲得均勻的激光泵浦分布，側(ce) 麵泵浦通常采用三向、五向對稱泵浦結構。在五向對稱泵浦結構中，二維陣列封裝在內(nei) 部有冷卻通道的熱沉上，由冷卻劑精確控溫使二維陣列發射波長在激光晶體(ti) 的吸收峰附近。冷卻劑同時對激光晶體(ti) 進行冷卻，激光晶體(ti) 和二維陣列用石英玻璃管隔開。圍繞著激光晶體(ti) 棒還設置了反光塊，用來防止二維陣列的泵浦激光逸出，同時對激光模塊的機械部件進行定位。采取三向、五向對稱泵浦結構的側(ce) 麵泵浦方式通常能獲得超大功率輸出，側(ce) 麵泵浦方式被普遍應用於(yu) 切割太陽能電池板方麵的激光劃片、(超)精細雕刻方麵的激光打標等需要大功率輸出。

側(ce) 麵泵浦的優(you) 點在於(yu) ，可以利用更多的二維陣列，使其沿增益介質軸向擺放，通過增益介質圓柱體(ti) 或長方體(ti) 的表麵相對於(yu) 光軸方向進行橫向泵浦，對散熱和激光耦合都提供了比較大的外部麵積。通過合理選擇激光模塊結構參數，可以提高泵浦麵積的均勻性，從(cong) 而改善輸出激光的光束品質。但是，由於(yu) 側(ce) 麵泵浦的活躍區在增益介質邊沿，中央處TEM00的模表麵積對輸入激光的吸收相對較少，所以經常是多模輸出；不過輸出功率非常大，可以達到千瓦量級。

側(ce) 麵泵浦方式缺點也很明顯，在側(ce) 麵泵浦結構中，增益介質中的麵積排列不易和沿軸線縱向方向形成的駐波場進行匹配；並且因為(wei) 增益介質內(nei) 部溫度比外部溫度高出很多，從(cong) 而在側(ce) 麵泵浦的激光器中產(chan) 生嚴(yan) 重的熱效應，激光的輸出效率大幅減少。同時，側(ce) 麵泵浦工作時會(hui) 產(chan) 生大量的熱，因此在工作時必須添加冷卻液以保證激光器的正常運行。而冷卻液吸收激光，在冷卻液附近時會(hui) 有相當一部分激光被冷卻液帶走，這些冷卻液嚴(yan) 重影響了側(ce) 麵泵浦的工作效率。目前主要采用側(ce) 麵泵浦方式研究激光二極管泵浦的單位有，中國科學院福建物構所、華北光電研究所、華中科技大學、南京理工大學、中國科學院半導體(ti) 研究所等。國外有美國雷神公司太空與(yu) 空用係統部、美國格魯曼公司、美國利弗莫爾國家實驗室、日本東(dong) 芝公司等。

4. 散熱性能研究

激光二極管泵浦的固體(ti) 激光器的熱效應主要是，激光二極管工作時使增益介質表麵發生熱形變的產(chan) 生的熱透鏡效應。長時間連續工作的激光二極管泵浦固體(ti) 激光器，實際能量轉換效率隻有15%左右，在工作過程中有大量的能量以熱的方式損耗了。產(chan) 生熱的原因有三點：一是量子在各個(ge) 能級發生的躍遷不穩定，在泵浦帶和激光增益介質中產(chan) 生大量的熱；二是低激光能級和量子基本狀態的能量差異；三是激光高能級和泵浦帶之間的能量差異。綜上所述，激光二極管泵浦的固體(ti) 激光器熱管理可以歸納為(wei) 三個(ge) 方麵：其一，提高激光器的總體(ti) 轉換效率以降低增益介質上的總耗熱量；其二，實施有效的冷卻，及時導出增益介質上熱量；其三，降低因冷卻產(chan) 生的熱效應。

激光二極管泵浦的固體(ti) 激光器的熱效應問題嚴(yan) 重影響了了激光器的正常工作效率，降低了激光質量。在實際應用中，必須應用有效的方法來降低或者減少熱效應問題。常用的減少二極管激光泵浦固體(ti) 激光器熱效應的方法包括：用冷卻液冷卻激光器、過濾不需要的激光光波方法、使用特殊結構的工作結構，用物理方法來降低增益介質中和聚透鏡中聚集的熱量。一般的冷卻方法是加入冷卻液進行冷卻，最常見的冷卻液是蒸餾水或去離子水，它的優(you) 點是比熱容大，導熱性能高，膨脹指數小，粘合度低。除了用冷卻液來降低二極管激光泵浦固體(ti) 激光器熱效應，還可以通過過濾不需要的激光光波的方法。激光增益介質中的活性離子隻吸收激光束寬帶輻射譜中一小部分，非常多的一部分被轉換成熱量而損耗。主要的過濾激光光波方法有兩(liang) 種即使用濾光液和濾光玻璃。在冷卻液(如水，乙二醇，碳氟化合物)中加入一定比例的具有高度濾光功能和吸收近紅外線光域的濾光材料，就能配製成同時具有冷卻和濾光功能的濾光液。在增益介質附近采用濾光玻璃放在激光器件附近，也可實現濾光功能。

國內(nei) 西安電子科技大學宋小鹿和李兵斌團隊相繼在2007年和2009年，改進了激光二極管固體(ti) 激光器端麵泵浦方式時，在激光射進增益介質附近產(chan) 生大量熱的問題，分別在增益介質的前麵和後麵使用熱導率為(wei) 1900 W/m∙k 的金剛石作為(wei) 冷卻材料導出激光器產(chan) 生的熱量。由於(yu) 金剛石極高的導熱率，因此激光器工作時，在增益介質附近短時間內(nei) 產(chan) 生的大量熱量可以快速傳(chuan) 導到金剛石材料中，最後通過熱沉導出熱量。微通道冷卻是指輸水斷麵的過流麵積與(yu) 水體(ti) 接觸的輸水管道邊長之比在 10~1000 µm 範圍之間的通道。由於(yu) 同樣體(ti) 積的冷卻液和半徑小、內(nei) 部麵積大的微通道中的接觸麵積很大，同時微尺度效應使微通道對流換熱係數增大，所以微通道的效率實際遠遠超過常規通道的效率。微通道冷卻方法的理論是通過增加接觸麵積和冷卻液的對流換熱係數來提高激光器散熱能力。噴霧冷卻是將少量液體(ti) 混合到加壓氣體(ti) 中組合成霧狀的汽液混合流體(ti) ，通過噴霧將其噴射到熱交換表麵上，並以霧化後的微小液滴形式帶走熱量以實現製冷。

固體(ti) 冷卻相比於(yu) 微通道冷卻和噴霧冷卻方式實現難度較低，容易利用現有材料進行實驗研究。在現有可以大規模製作的導熱材料中，石墨烯是否代替金剛石作為(wei) 導熱材料成為(wei) 一個(ge) 值得研究的方向。因為(wei) 金剛石和石墨烯是同種元素組成的不同物質，而且石墨烯的導熱性也是很好。人們(men) 對微通道冷卻和噴霧冷卻的熱傳(chuan) 導和流動性的探索還處在起步期，無法大規模應用到激光二極管固體(ti) 激光器的冷卻中。因此，我們(men) 需要繼續研究激光二極管固體(ti) 激光冷卻物理特性，研究冷卻過程中的流動特性和熱傳(chuan) 導特點，開發新的冷卻材料，提升冷卻效率，使激光器能夠平穩運行。

5. 應用與(yu) 展望

2009年中科院半導體(ti) 研究所研製的激光二極管泵浦固體(ti) 激光器已取得10kW高功率激光輸出，其中工業(ye) 級5kW全固態激光器的累計工作時間大於(yu) 600小時。2012 年9月，歐洲導彈防禦局(MBDA)采用幾何拚接技術實現40KW髙功率激光輸出，成功地完成了對炮彈和鋼板的打靶演示試驗。2013年11月，萊茵金屬公司利用兩(liang) 台釹玻璃激光器聯合作戰模式發展了總功率50KW的“天空衛士”(SkyGuard)係統，並進行了針對無人機的初步打靶實驗。2016年，功率達到120KW的工業(ye) 級釹玻璃激光器由天津東(dong) 方銳鐳公司聯合國防科學技術大學高能激光技術團隊研製成功，其各方麵指標排在世界前列。

大功率二極管泵浦固體(ti) 激光器主要應用在工業(ye) 加工和軍(jun) 事領域。工業(ye) 加工領域主要有激光切割、打磨、焊接和精確組裝等。國內(nei) 的大功率激光在工業(ye) 加工應用方麵也發展很快，例如在國產(chan) 航空母艦、護衛艦、潛水艇等船舶的建造過程中，使用大功率激光技術對複雜形狀的厚鋼板進行切割焊接等。軍(jun) 事領域主要應用在激光武器上，如激光導彈、激光掃雷戰車、大功率激光炮等。除工業(ye) 加工和軍(jun) 事領域外，大功率二極管泵浦固體(ti) 激光器還可以廣泛應用於(yu) 科學研究、醫療手術、居家娛樂(le) 、生物化學、太空探索、信息處理等領域，具有極高的實用價(jia) 值。

激光技術是世界上公認的、應用最廣泛的高新技術之一，已經成為(wei) 新一代性能卓越的綠色、節能光源，成為(wei) 激光發展中最具前景的方向之一。為(wei) 了全麵提高我國在激光方向上的研究和應用水平，需要加強在激光二極管泵浦固體(ti) 激光器及應用係統產(chan) 業(ye) 化的研究和創新，推動激光技術規模化的應用，盡快創造出能走向世界的fun88官网平台產(chan) 品，發展高效先進的二極管泵浦固體(ti) 激光器及應用。