固體(ti) 高功率和短波激光是滿足國家重大戰略需求、支撐國民經濟發展的‘國之重器’，是科技基礎前沿、高端製造業(ye) 發展的‘動力源泉’。”在10月14日—15日舉(ju) 行的香山科學會(hui) 議第754次學術討論會(hui) 上，會(hui) 議執行主席、中國科學院大學教授樊仲維如是說。

　　我國以非線性光學晶體(ti) 、激光晶體(ti) 為(wei) 代表的人工晶體(ti) 處於(yu) 國際領先地位，是我國發展固體(ti) 激光技術和激光產(chan) 業(ye) 的優(you) 勢所在。我國激光產(chan) 業(ye) 從(cong) 晶體(ti) 材料到激光器再到應用技術的全鏈條逐步發展完整，然而，整個(ge) 激光行業(ye) 仍存在需要解決(jue) 的科學問題，我國也依然麵臨(lin) 著亟須突破的技術難題。

　　此次會(hui) 議上，與(yu) 會(hui) 專(zhuan) 家圍繞長期製約固體(ti) 高功率和短波激光發展的主要問題開展基礎理論和新方法研討，梳理固體(ti) 高功率和短波激光器實現高功率和高效率工作的新途徑，優(you) 化完善我國固體(ti) 高功率和短波激光技術發展路線圖，為(wei) 我國自主發展高功率激光以及短波光源提供有力的技術支撐。

　　尋找“超熱導”激光介質材料

　　激光功率增加的過程總是伴隨著熱能，而熱能往往無用且有害。“激光的本質是微觀粒子的有序運動，而熱是微觀粒子的無序運動，高功率激光的發展史就是一部與(yu) 廢熱鬥爭(zheng) 的曆史。”國防科技大學教授許曉軍(jun) 說。

　　激光的產(chan) 生必須選擇合適的增益介質。對增益介質產(chan) 生的廢熱進行熱管理是高功率激光行業(ye) 普遍麵臨(lin) 的難題。要解決(jue) 這一問題，一方麵可以通過選擇摻雜離子減少量子虧(kui) 損，另一方麵可以提升增益介質的散熱能力。

　　在熱量傳(chuan) 輸的過程中，增益介質材料的熱導率是最為(wei) 關(guan) 鍵的物理參數。在目前所用的激光增益介質材料中，玻璃材料的熱導率較低，晶體(ti) 材料如常用的YAG由於(yu) 其有序的周期性結構而熱導率較高。

　　選擇高熱導率的晶體(ti) 作為(wei) 激光增益介質材料，是發展超高熱導率激光材料的思路之一。與(yu) 會(hui) 專(zhuan) 家介紹，金剛石是目前已發現的熱導率最高的固態物質。同時研究發現，具有高熱導率的材料的晶體(ti) 結構主要為(wei) 金剛石型或類金剛石型，其室溫熱導率較目前常用的激光增益介質材料高約2個(ge) 數量級，金剛石有潛力成為(wei) “終極”激光增益介質材料，且已用於(yu) 擴展波段、承載大功率的拉曼晶體(ti) （利用受激拉曼散射這種非線性光學效應來實現激光頻率轉換的晶體(ti) ）。

　　高熱導率使得金剛石基器件可以實現高功率工作而無需過分擔心散熱問題，具有優(you) 異光學和熱學性能的金剛石有望實現大功率激光技術的跨越式發展。目前，我國已開始金剛石基大功率激光增益介質的初步探索，並實現將稀土釹離子摻入金剛石晶體(ti) 。

　　但基於(yu) 金剛石等晶體(ti) 的激光增益介質材料仍存在兩(liang) 大研製難題。一方麵這些材料熔點高，難以通過成熟的熔體(ti) 法生長，其晶體(ti) 的大尺寸製備本身存在困難；另一方麵，材料組成的離子半徑小，與(yu) 稀土或過渡族金屬離子的離子半徑差異大，激活離子難以摻入，導致摻雜濃度極低，不具備使用價(jia) 值。

　　1911年，荷蘭(lan) 物理學家海克·卡末林發現了超導現象，即導體(ti) 在某一溫度下電阻為(wei) 零的狀態。超導體(ti) 的發現，有望解決(jue) 電力傳(chuan) 輸過程中的廢熱損耗問題。樊仲維表示，受超導現象的啟發，未來如果能夠發現“超熱導”激光增益介質材料，就能實現激光熱量的瞬態散逸，徹底解決(jue) 激光器的廢熱問題。

　　破解激光調控元件輻照損傷(shang) 難題

　　在高功率激光係統中，有數量巨大、種類繁多的光學元件對激光光束進行時空調控，典型元件包括光學透鏡、反射鏡、偏振器件和光柵等。這些光學元件在激光輻照下的損傷(shang) 問題直接影響著激光係統輸出功率的提升。樊仲維表示，目前，研究人員主要通過優(you) 化基質材料、提升材料處理工藝等方式提高元件的抗損傷(shang) 能力，進而提升我國高功率激光器輸出水平。

　　同濟大學教授王占山介紹，在材料優(you) 化方麵，熔石英因其硬度高、彈性模量大、熱膨脹係數高、耐高溫、化學性能穩定，在大光譜範圍內(nei) 具有優(you) 異的透射性能和抗強激光損傷(shang) 能力，是目前高功率激光係統中大口徑光學元件選用的主要材料。

　　在提升材料處理工藝方麵，激光調控元件表麵通常鍍有高損傷(shang) 閾值薄膜，可通過加鍍保護層和緩衝(chong) 層、摻雜光學材料、對薄膜表麵進行微結構處理等方法來提高薄膜的抗損傷(shang) 能力。另外，已有實踐表明，用低於(yu) 光學元件損傷(shang) 閾值的激光對元件表麵進行預處理，也可以有效提高元件的抗損傷(shang) 能力。

　　樊仲維表示，在重大工程的牽引下，我國在若幹種類光學調控器件抗損傷(shang) 技術方麵已達到國際先進水平，但目前在技術推廣應用方麵還有待提高。開展標準化技術研究，通過產(chan) 學研用合作，將已經形成的技術工藝進行固化和規範，形成係列標準，在有效保護知識產(chan) 權的基礎上進行應用推廣，將有利於(yu) 國內(nei) 整體(ti) 行業(ye) 水平的提升。

　　保持傳(chuan) 統晶體(ti) 材料優(you) 勢的同時實現再突破

　　紫外/深紫外等短波長激光因具有波長短、光子能量高等特點，可以用於(yu) 非常精確的材料加工，使熱影響區最小。還可引發光化學作用，直接導致材料化學鍵斷裂、重組，生成新物質，在時間、空間、能量分辨率和自旋分辨上具有明顯優(you) 勢，在諸多領域有重要應用價(jia) 值。

　　“目前，以高功率可見、近紅外全固態激光為(wei) 基頻光源，通過非線性光學晶體(ti) 的多級變頻技術產(chan) 生深紫外激光的非線性光學晶體(ti) 變頻方案，是獲取實用深紫外激光光源的有效途徑。”樊仲維介紹。

　　20世紀八九十年代，我國著名材料學家陳創天院士帶領團隊運用陰離子基團理論，預測無機晶體(ti) 數據庫中的KBBF是一種優(you) 秀的深紫外非線性光學晶體(ti) 。此後該團隊聯合眾(zhong) 多科學家在激光測試和晶體(ti) 生長方麵取得突破，使我國在深紫外KBBF晶體(ti) 生長方麵國際領先，也使中國成為(wei) 世界上唯一能研製實用化深紫外全固態激光器的國家。

　　與(yu) 此同時，深紫外全固態激光器研究仍存在倍頻晶體(ti) 單一、生長尺寸小、轉換效率低等問題。一方麵，研究人員在繼續探索晶體(ti) 生長工藝以及非線性光學性能超越KBBF的新晶體(ti) ；另一方麵，也在嚐試開發基於(yu) 深紫外全固態激光源的先進儀(yi) 器，將我國在短波晶體(ti) 方麵的優(you) 勢拓展到器件及集成係統方麵。

　　隨著應用領域的不斷擴展，實現高功率、大能量、高效率及性能精密調控成為(wei) 紫外/深紫外激光發展的必然趨勢。研製具有自主知識產(chan) 權、高轉換效率、無層狀生長習(xi) 性的優(you) 質變頻晶體(ti) ，實現短波長激光輸出，成為(wei) 當前深紫外全固態激光技術的重要發展領域。

　　在保持我國傳(chuan) 統晶體(ti) 優(you) 勢的基礎上，研究者們(men) 希望探索出製備高效紫外/深紫外激光材料的新思路。中國科學院新疆理化技術研究所研究員潘世烈介紹，我國提出了全波段相位匹配新思路及氟化設計策略，並成功研製了新型非線性光學晶體(ti) GFB及係列新型氟化硼酸鹽深紫外非線性光學晶體(ti) 。未來科研人員還有望在人工智能+數據新範式驅動下實現新材料的精準預測設計、基於(yu) 自動化生長技術開發大尺寸晶體(ti) 生長，在光學性能和尺寸等方麵突破紫外/深紫外晶體(ti) 材料的研究極限。

　　與(yu) 會(hui) 專(zhuan) 家建議，在目前通過近紅外波段多次倍頻產(chan) 生紫外光源的基礎上，重視發展可見光波段的泵浦光源和激光晶體(ti) ，是高效產(chan) 生紫外光源的創新方式。樊仲維認為(wei) ，能否借鑒超材料相關(guan) 技術，提高光學器件對極紫外波段的調控能力也是一個(ge) 有待探索的技術問題。