以中等重複頻率輸出高能量、超短脈衝(chong) 的二極管泵浦固體(ti) 激光器正獲得越來越多的研究關(guan) 注（見表），其應用範圍從(cong) 產(chan) 生阿秒脈衝(chong) 的泵浦激光器，到x射線和粒子物理。在這些研究領域中，對於(yu) 極強電磁場來說，超短高能激光脈衝(chong) 是一種無與(yu) 倫(lun) 比的光源，為(wei) 研究相對論物理和量子物理效應打開了大門。激光加速粒子的應用也具有廣泛前景。預期用於(yu) 未來的慣性約束核聚變研究裝置的巨型DPSS激光器，必須提供卓越的光束質量和穩定性，以及高電光轉換效率和較少的維護要求。隻有通過精心設計的元件以及具有超高可靠性和耐用性的子係統，才能滿足上述複合型要求。

表：高能量二極管泵浦固體(ti) 激光器係統*

項目名稱	MERCURY	GENBU	LUCIA	POLARIS/FZD-PW
地點	美國	日本	法國	德國
應用	IFE/Ti：Sa	IFE	OPCPA	CPA
增益介質	Yb3+：S-FAP	Yb3+：YAG	Yb3+：YAG	摻Yb3+玻璃和Yb3+：CaF2
脈寬(ns)	14	9	10	2[展寬後]
脈衝(chong) 能量(J)	55[100]	0.22[1000]	7.0[100]	12[150]
重複頻率(Hz)	10	100	10	0.05~10
中心波長(nm)	1050	1030	1030	1030
泵浦波長(nm)	899	940	940	940和980

*目前高能量半導體(ti) 泵浦固體(ti) 激光器係統的概括，涉及它們(men) 的狀態和設計參數（方括號內(nei) 表示還未實現），包括用於(yu) 慣性聚變能量（IFE）、直接啁啾脈衝(chong) 放大器（CPA）和泵浦鈦寶石激光器或光泵浦CPA（OPCPA）係統。

隨著高功率半導體(ti) 激光器技術的最新發展，人們(men) 已經能夠在可接受的成本下獲得新一代高能量半導體(ti) 泵浦激光器。半導體(ti) 封裝、泵浦光傳(chuan) 輸、光束均勻化與(yu) 驅動電路，都將在滿足可靠性要求方麵起到重要作用。

為(wei) 了充分發揮大型二極管泵浦固體(ti) 激光器（DPSS）的潛力，需要能夠更好地將半導體(ti) 泵浦係統經剪裁後的發射波長與(yu) 摻雜離子的吸收波長匹配起來的新型激光材料。此外，該激光材料必須同時具有長的熒光壽命、高的發射和吸收截麵。高質量拋光及鍍膜的大口徑元件的製備將需要適當的生產(chan) 設備。

新型摻鐿激光材料

大型固體(ti) 激光器的脈衝(chong) 能量和平均功率主要受到激光器的效率和熱管理能力的限製；因此，半導體(ti) 泵浦要優(you) 於(yu) 閃光燈泵浦。高峰值功率固體(ti) 激光器的許多理念基於(yu) 鐿（Yb³⁺）摻雜的基質材料，與(yu) 摻釹（Nd³⁺）材料相比，摻Yb³⁺材料具有更長的上能級壽命（1到2ms）、更小的量子虧(kui) 損和相近的發射波長。此外，Yb³⁺離子的吸收帶在915~980nm的波長範圍間，使用激光二極管作為(wei) 泵浦源，總的電光轉換效率高達70％。

到目前為(wei) 止，Yb：YAG一直是最重要和開發得最好的材料。最近，摻鐿堿土氟化物，如氟化鈣（Yb³⁺：CaF₂）、氟化鍶（Yb³⁺：SrF₂）、氟化鋇（,Yb³⁺：BaF₂）已經在半導體(ti) 泵浦飛秒激光器和放大器方麵引起了業(ye) 界的極大興(xing) 趣。這些晶態材料已被證明在熱導率方麵可與(yu) 氧化物晶體(ti) 和玻璃相競爭(zheng) 。由於(yu) 可以製備大的單晶和陶瓷材料，使得這些材料適用於(yu) 高能量和高功率激光運行。另外，Yb#p#分頁標題#e#³⁺：CaF₂對 940nm和980nm兩(liang) 個(ge) 波長泵浦都適用，而不需要泵浦二極管的先進波長穩定技術（見圖1）。

圖1：摻Yb³⁺的CaF₂ 晶體(ti) 在可見光區域高度透明[(a)；
顏色由減反膜引起]。它在近紅外區域的吸收帶相對較寬，使半導體(ti) 激光器泵浦源得以簡化（b）。

摻Yb³⁺增益介質的光譜特性導致吸收和發射的高飽和通量。Yb³⁺的準三能級係統需要5kW/cm²左右的最小泵浦強度，以漂白室溫下激光波長處的再吸收。這推動了對高亮度激光二極管和兼具低的泵浦亮度損耗、合理的成本和高可靠性的先進光束組合係統的需求。

用於(yu) 泵浦的高功率半導體(ti) 激光器巴條

一些現有的方案表明，半導體(ti) 激光器模塊的成本在係統成本中占據了很大部分。根據集成度的不同，其所占比例可能會(hui) 超過50％。

成本方麵的考慮從(cong) 密切關(guan) 注每瓦成本開始。一種具有前景的減少成本的方法是增加每個(ge) 半導體(ti) 激光器元件的功率。這種元件通常有一個(ge) 10mm寬的半導體(ti) 邊緣發射芯片，由幾十個(ge) 並列的平行發射器組成，放置在一個(ge) 單光學活性層中。所有發射器被同時驅動，在高工作電流和典型壓降小於(yu) 2V的條件下產(chan) 生所需的功率。

隨著半導體(ti) 激光器安裝技術的最新發展，以及前端麵鍍膜技術的改進，高功率半導體(ti) 激光器巴巴條可以獲得更高的峰值光功率和更長的壽命。通過使芯片和熱沉的熱膨脹係數相匹配，夾層式硬焊料半導體(ti) 激光器巴巴條裝配方式已成為(wei) 可能，再加上通過陶瓷-銅基片的背麵傳(chuan) 導冷卻，每個(ge) 巴巴條的峰值功率可以達到300W，甚至更高（見圖2）。單個(ge) 巴巴條的峰值功率有望在不久的將來達到500W。

圖2：準連續波半導體(ti) 激光器模塊的電光特性[（a）八個(ge) 巴條組成的940nm激光器，脈寬1ms，重複頻率10Hz]。
類似的模塊為(wei) 法國大型LUCIA激光器提供了半導體(ti) 激光器堆棧組件（b）。

設備的傳(chuan) 導冷卻優(you) 於(yu) 使用直接水冷式熱沉，因為(wei) 水冷需要使用許多O型密封圈，這會(hui) 存在潛在的漏水風險。此外在維護方麵，傳(chuan) 導冷卻激光二極管模塊更容易更換。

為(wei) 了滿足亮度要求，必須使用微光學透鏡。預先校準過的快軸準直（FAC）透鏡陣列將進一步降低勞動力成本。政府資助和工業(ye) 界的努力，正在促使單個(ge) 巴巴條的峰值功率向更高的水平發展（潛在的峰值功率高達1kW），隻是由於(yu) 高驅動電流仍然限製了產(chan) 品的實用化。芯片效率以及前端麵耐久性的改善將有助於(yu) 實現這些目標。

帶有多個(ge) 激活層的垂直堆疊（納米棧）的二極管設計可以降低驅動電流，減少對電觸點的限製。但受到熱的限製，脈寬隻能達到約200μs，這對理想的激光材料而言太短。準直的效果達不到單激活層設計的水平，這將降低半導體(ti) 激光器的亮度，並限製作為(wei) 激光器泵浦源的應用。

泵浦引擎

高功率半導體(ti) 激光器巴條可堆棧成模塊（如八個(ge) 巴條組成的堆棧），並且可以在一個(ge) 平麵幾何區域內(nei) 互相緊貼著放置。在亮度方麵，考慮到FAC透鏡的空間限製和熱傳(chuan) 導的需求，每兩(liang) 個(ge) 巴條之間的最小間距需為(wei) 1.5~2.0mm。驅動電流從(cong) 背麵提供，工作層同時起到電接觸和機械接觸的作用。目前已能夠提供占空比為(wei) 1%（脈衝(chong) 寬度1ms，重複頻率10Hz）、波長為(wei) 940nm或980nm的2.4kW和3.2kW的模塊。

為(wei) 了集中多個(ge) 堆棧組成的泵浦模塊的發射激光（例如用於(yu) 泵浦Yb³⁺激光器時，激光二極管堆棧在截麵內(nei) 的功率密度需達到2kW/cm²），需要聚焦光學係統和光束均勻化。通過光束合束可以提高半導體(ti) 堆棧發射麵的亮度。此外，還可采用空間和偏振複用技術將亮度提高至少2~4倍。此時需要在額外的成本和所帶來的性能提升之間進行權衡。

研究人員已經開發出了此類集成半導體(ti) 激光器模塊，占空比高達3%，峰值功率大於(yu) 18kW，並且輸出為(wei) 二次超平頂、低波紋光束，適合作為(wei) 激光器泵浦源。另外還可以滿足更小的模塊、定製的光束尺寸以及從(cong) 微秒到毫秒範圍的脈寬等需求。幾個(ge) 半導體(ti) 模塊和驅動電路、製冷、監控和互鎖係統的組合，被稱作泵浦引擎；這樣的泵浦引擎易於(yu) 集成到用戶的裝置內(nei) 。在未來的大口徑係統中，模塊的尺寸應當進行優(you) 化，以達到緊湊又便於(yu) 操作的目的。

即將出現的大型半導體(ti) 泵浦固體(ti) 激光器

兩(liang) 項具有挑戰性的大型歐洲激光項目——高功率激光能源研究（HiPER）和超強激光基礎設施（ELI）正處在籌備階段。無論結構如何，重複頻率範圍為(wei) 10Hz~1kHz的半導體(ti) 泵浦千焦級激光器將用於(yu) 以下幾個(ge) 方麵：強激光的一次光源，直接激光驅動熱密等離子體(ti) ，或產(chan) 生加速粒子。

Yb³⁺：CaF₂ 晶體(ti) 已被確認為(wei) 是能實現二極管有效泵浦的一種非常具有發展前景的激活激光材料。峰值功率超過300W的準連續半導體(ti) 巴條可用作泵浦源。然而，要使這些激光二極管芯片真正成為(wei) 可靠耐用的光泵浦源，必須對熱沉和封裝進行仔細設計，安全運行也必不可少。要達到所需的高亮度，還需要將半導體(ti) 激光器、光束整形和合束器、驅動電路、互鎖係統、監測係統和泵浦光均勻化係統緊密地封裝在一起。