袁明星, 周天元*, 周 偉, 李延彬, 侯 晨, 郗曉倩, 單迎雙, 馬躍龍,3, 張 樂(lè), 陳 浩*
(1. 江蘇師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院, 江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116;2. 江蘇錫沂高新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 江蘇 徐州 221400; 3. 江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
激光技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能量集中、單向傳播距離較長(zhǎng)、輻射亮度高等功能,是目前最重要的科學(xué)技術(shù)手段之一,在醫(yī)療、環(huán)保、半導(dǎo)體和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。與其他類型激光器相比,固體激光器更易于實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性好,在激光應(yīng)用領(lǐng)域一直處于主導(dǎo)地位。固體激光器由泵浦源、增益介質(zhì)和諧振腔組成,其中,泵浦源能夠?qū)す夤ぷ魑镔|(zhì)進(jìn)行激勵(lì)并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),而激光二極管(LD)泵浦具有光轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì),是目前最常用的固體激光泵浦方式。然而,LD泵浦以其窄帶光輸出特性,對(duì)材料的波長(zhǎng)選擇性具有較高要求;且LD泵浦能耗高、價(jià)格昂貴、使用壽命短,極大地制約了其實(shí)際應(yīng)用。
相對(duì)于LD泵浦,太陽(yáng)光泵浦固體激光器以太陽(yáng)光作為泵浦源,能夠充分克服LD泵浦的固有缺陷,應(yīng)用前景廣闊[2]。根據(jù)美國(guó)NASA Langley研究中心的報(bào)告,太陽(yáng)光泵浦激光器將是未來(lái)空天對(duì)抗的首選,因此在軍事方面,太陽(yáng)光泵浦激光器將是是空天激光武器的主要發(fā)展方向[3-4]。在能源利用方面,太陽(yáng)光泵浦固體激光器能夠通過(guò)衛(wèi)星或空間站向地球輸送能量,實(shí)現(xiàn)能源綠色化,充分切合了備受人類關(guān)注的可持續(xù)發(fā)展重大戰(zhàn)略需求,成為當(dāng)今太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一[5-6]。此外,太陽(yáng)光泵浦固體激光器在空間及海洋探測(cè)、通信傳感等重要領(lǐng)域均有重大潛在應(yīng)用[7]。可見(jiàn),大力發(fā)展太陽(yáng)光泵浦固體激光器能夠充分滿足固體激光技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展需求,意義十分重大。
兼具對(duì)太陽(yáng)光的高吸收量和高轉(zhuǎn)換率,是太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量激光輸出的前提。在太陽(yáng)光吸收量方面,由于太陽(yáng)光50%的能量都集中在可見(jiàn)光波段(0.4~0.76 μm),激光工作物質(zhì)只有充分吸收可見(jiàn)光能量,才能夠達(dá)到足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光輸出。然而,太陽(yáng)光的光密度遠(yuǎn)低于LD泵浦光密度,因此太陽(yáng)光泵浦固體激光器只有獲得對(duì)太陽(yáng)光的高效匯聚,才能夠滿足上述要求[8]。
在太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化率方面,目前最成熟的光轉(zhuǎn)化方案是通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能,為半導(dǎo)體泵浦源提供能量,然后通過(guò)半導(dǎo)體泵浦源激勵(lì)增益介質(zhì),實(shí)現(xiàn)激光輸出。然而,該方式中較多的中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致其光轉(zhuǎn)化效率最高僅為1.5%,且設(shè)備復(fù)雜、成本極高,遠(yuǎn)無(wú)法滿足發(fā)展需求[9]。相反,若采用太陽(yáng)光直接泵浦增益介質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)光-光直接轉(zhuǎn)化,必將有效克服上述缺陷,在大幅提升光轉(zhuǎn)化效率的同時(shí),促進(jìn)激光系統(tǒng)的集成化,降低成本。
基于以上闡述,本文從太陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)、增益介質(zhì)、泵浦系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面,回顧了太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,總結(jié)并展望了該研究的發(fā)展瓶頸和趨勢(shì)。
陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)能夠通過(guò)反射鏡或透鏡等光學(xué)元件收集并匯聚太陽(yáng)光以提升其光功率密度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)對(duì)太陽(yáng)光的充分吸收。通常,陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)器件單位表面積的激光功率輸出和聚光比是評(píng)價(jià)太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器性能的重要指標(biāo)。最初的陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)通常采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu),但該系統(tǒng)體積較大,造價(jià)昂貴,且系統(tǒng)中像差的存在降低了激光輸出性能,使其發(fā)展受到限制[10-11]。隨著材料技術(shù)的發(fā)展,基于有機(jī)玻璃材質(zhì)的大型菲涅爾透鏡陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)以其制造成本低,厚度薄、易于獲得大口徑等優(yōu)勢(shì)獲得了極大的關(guān)注,并被廣泛應(yīng)用。
單級(jí)菲涅爾透鏡成像陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)是指僅采用單片菲涅爾透鏡作為太陽(yáng)光收集媒介,并以光收集效率作為其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。在收集效率提升方面,東京工業(yè)大學(xué)Yabe等提出使用1 m×1.5 m的菲涅爾透鏡作為陽(yáng)光收集系統(tǒng)泵浦Cr,Nd∶YAG陶瓷,當(dāng)收集的光功率為22 W時(shí)觀察到微弱的激光輸出[12]。在此基礎(chǔ)上,Yabe等[13]采用兩片菲涅爾透鏡實(shí)現(xiàn)了振蕩器和放大器的雙泵浦作用,將收集效率提高至18.7 W/m2,且輸出功率達(dá)到22.4 W,但由于采用商用菲涅爾透鏡,導(dǎo)致收集效率仍不理想。在對(duì)菲涅爾透鏡的色散問(wèn)題評(píng)估以及對(duì)反射和吸收光線數(shù)值模擬基礎(chǔ)上,通過(guò)比較圖像與模擬值,進(jìn)一步證實(shí)了菲涅爾透鏡作為初級(jí)陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)能夠使收集的太陽(yáng)光達(dá)到理論匯聚極限。Ohkubo等[14]通過(guò)對(duì)菲涅爾透鏡的改進(jìn),即透鏡由甲基丙烯酸甲酯制成,折射率設(shè)計(jì)為1.491 7,鏡片表面無(wú)涂層,同時(shí)采用一個(gè)錐形腔作為二級(jí)聚光系統(tǒng),最終實(shí)現(xiàn)了20 W/m2的收集效率、80 W的激光輸出紀(jì)錄。進(jìn)一步研究表明,采用X-Y-Z軸粗調(diào)菲涅爾透鏡方向能夠促進(jìn)對(duì)太陽(yáng)光的收集[15]。
我國(guó)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在理論上深入分析了太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的泵浦系統(tǒng)及工作物質(zhì)的效能,并取得了豐碩成果[8-9,16-18]。趙長(zhǎng)明教授研究團(tuán)隊(duì)于2009年直接利用單級(jí)菲涅爾透鏡成功獲得了激光輸出,但由于激光器受透鏡尺寸、單級(jí)收集方式及透鏡色散等因素限制,僅觀察到微弱的激光振蕩[19]。
盡管單級(jí)菲涅爾透鏡成像陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光收集,但仍難以獲得較高的泵浦功率密度。這是因?yàn)橥哥R表面的氣泡或劃痕會(huì)不可避免地造成光散射,在降低收集效率的同時(shí),極易造成光斑尺寸與增益介質(zhì)尺寸失配。相反,采用多級(jí)非成像陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)能夠有效克服上述缺陷,提高收集效率,是目前太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[14]。
多級(jí)非成像陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)一般采用大口徑菲涅爾透鏡作為一級(jí)陽(yáng)光收集器件,以非成像器件作為二級(jí)或者三級(jí)陽(yáng)光收集器件[20-22]。其中,非成像器件本質(zhì)上是一個(gè)光漏斗(聚光腔),即采用邊緣射線法設(shè)計(jì)的非成像聚光器,其能夠進(jìn)一步將收集的太陽(yáng)光進(jìn)行二次或三次匯聚,在實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光功率密度本質(zhì)提升的同時(shí),避免其與增益介質(zhì)的尺寸失配,進(jìn)而提升光束質(zhì)量。該設(shè)計(jì)是目前實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光收集和匯聚的最佳方案。
在非成像器件設(shè)計(jì)方面,常用非成像器件為復(fù)合拋物面聚光器(Compound parabolic concentrator,CPC),主要包括二維復(fù)合拋物聚光器(2D-CPC)和三維復(fù)合拋物面聚光器(3D-CPC)[23]。在低泵浦密度實(shí)驗(yàn)中通常采用2D-CPC作為二級(jí)聚光器。以色列Weklser等[24]采用2D-CPC來(lái)提升光與介質(zhì)的耦合能力,當(dāng)收集太陽(yáng)光的輸入功率為4 kW時(shí),獲得超過(guò)60 W的激光輸出,斜率效率超過(guò)2%。
相對(duì)2D-CPC,3D-CPC可進(jìn)一步提升對(duì)太陽(yáng)光的收集效率,且將2D-CPC與3D-CPC相互結(jié)合是目前最廣泛使用的多級(jí)非成像陽(yáng)光收集方案。Lando等[23]采用如圖1所示陽(yáng)光收集方式,在一級(jí)收集透鏡面積為6.85 m2情況下,實(shí)現(xiàn)功率為46 W的連續(xù)激光輸出,收集效率為6.7 W/m2。同時(shí),作者提出若采用60 m2分塊式一級(jí)透鏡設(shè)計(jì),可將該輸出功率提升至400 W,其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。
圖1 (a)3D-CPC與2D-CPC剖面圖;(b)2D-CPC的放大輪廓。
Krupkin等[25]設(shè)計(jì)了一種千瓦級(jí)的太陽(yáng)能泵浦固體激光器,提出采用660 m2的菲涅爾透鏡作為一級(jí)陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)0.5 kW的激光輸出。然而,該系統(tǒng)仍存在增益介質(zhì)尺寸難以匹配大尺寸匯聚光斑的問(wèn)題,不利于提升光轉(zhuǎn)化效率。美國(guó)Cooke等[26]采用一個(gè)拋物面鏡和一個(gè)非成像聚光器組成陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng),在太陽(yáng)光入射強(qiáng)度為900 W/m2時(shí),實(shí)現(xiàn)了高達(dá)72 W/mm2的收集效率。該收集效率遠(yuǎn)高于僅采用菲涅爾透鏡成像陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)所獲得的效率,為高效太陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了可借鑒的方向。
表1 多級(jí)非成像收集系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)400 W激光輸出設(shè)計(jì)參數(shù)
在聚光腔設(shè)計(jì)方面,葡萄牙Almeida等[27-34]提出一種光波導(dǎo)設(shè)計(jì),即將一根足夠長(zhǎng)的熔融石英介質(zhì)置于2D-CPC的光匯聚處,其三維視圖如圖2所示[33]。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的光耦合和聚焦能力,其均勻的光強(qiáng)分布對(duì)初級(jí)鏡聚焦光點(diǎn)的輕微位錯(cuò)并不敏感,可有效實(shí)現(xiàn)誤差跟蹤補(bǔ)償。與傳統(tǒng)2D-CPC相比,其能夠充分避免光與介質(zhì)的尺寸失配,極大地提升太陽(yáng)光的收集效率,并能有效解決太陽(yáng)光經(jīng)二級(jí)匯聚后輸出功率減小及均勻性變差等問(wèn)題。同時(shí),該裝置較大的接觸面積極大地提升了其散熱效率,有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出。
圖2 三維視圖下的太陽(yáng)能激光頭與矩形光波導(dǎo)
隨后,該團(tuán)隊(duì)采用定日-拋物面反射鏡裝置(見(jiàn)圖3),實(shí)現(xiàn)了激光系統(tǒng)的功率提升及光束質(zhì)量的優(yōu)化[30]。該系統(tǒng)能夠通過(guò)調(diào)整定日鏡的角度,將太陽(yáng)光定向入射到固定的拋物面鏡上,并通過(guò)反射將其匯聚成10 mm左右寬的近高斯光源,照射激光頭。該激光頭由矩形熔融石英光波導(dǎo)、2D-CPC和V形腔組成,其中2D-CPC和V形腔的內(nèi)壁均設(shè)計(jì)了具有94%反射率的鍍銀鋁箔。太陽(yáng)光經(jīng)石英光波導(dǎo)收集并勻化后,通過(guò)2D-CPC將其轉(zhuǎn)換為小輸出孔徑發(fā)射的大角度光線,從而保持泵浦輻射的凈濃度,并通過(guò)V形腔照射晶體實(shí)現(xiàn)激光輸出。
圖3 (a)定日-拋物面反射鏡系統(tǒng)下太陽(yáng)能收集和集中系統(tǒng)原理圖;(b)Nd∶YAG激光頭。
基于該設(shè)計(jì),作者采用非對(duì)稱光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了收集效率達(dá)到2.93 W/m2、基模輸出功率為2.3 W、亮度值為1.9 W的激光輸出[28]。2016年,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)對(duì)晶體棒的加工及腔型優(yōu)化,將基模輸出功率提升至4.5 W,收集效率為4 W/m2,斜效率為2.36%,該效率比使用菲涅爾透鏡和拋物面鏡作為主陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)獲得的激光輸出效率分別高3.37倍和2.91倍[34]。2018年,該團(tuán)隊(duì)基于該陽(yáng)光收集裝置進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了收集效率高達(dá)32.5 W/m2的太陽(yáng)光高效收集和匯聚[35]。2020年,Liang等[30]采用有效收集面積為1.0 m2的拋物面鏡,并利用非球面熔融石英透鏡將聚焦區(qū)集中的太陽(yáng)光線耦合到錐形腔內(nèi),端面泵浦3個(gè)直徑3.0 mm、長(zhǎng)25 mm的Nd∶YAG單晶棒,首次實(shí)現(xiàn)同步發(fā)射三束連續(xù)激光束的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了18.3 W的多模太陽(yáng)光激光功率輸出,5.1%的激光斜率效率,且每束激光的亮度值達(dá)到0.036 W,是收集效率為32.5 W/m2的太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器對(duì)應(yīng)激光亮度值的9倍。
我國(guó)在多級(jí)非成像陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)方面也進(jìn)行了深入研究,北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種低閾值太陽(yáng)光直接泵浦Nd∶YAG固體激光器,采用有效面積為1.03 m2、焦距為1.2 m的菲涅耳透鏡作為一級(jí)太陽(yáng)光收集裝置,鍍金錐形腔作為二級(jí)收集裝置,實(shí)現(xiàn)了聚光腔的優(yōu)化,在太陽(yáng)輻射功率密度為900 W/m2時(shí),實(shí)現(xiàn)了475.1 mW的激光輸出[36]。同年,該校李金華等[37]設(shè)計(jì)了如圖4所示的激光器結(jié)構(gòu)圖,該設(shè)計(jì)以菲涅爾透鏡作為一級(jí)陽(yáng)光收集器件,液體導(dǎo)光透鏡和鍍金錐形腔的共同作用作為二級(jí)陽(yáng)光收集器件,最終獲得了連續(xù)穩(wěn)定的1 064 nm的激光輸出,收集效率為30.58 W/m2,光轉(zhuǎn)換效率為3.2%,聚光比可達(dá)104。該研究對(duì)太陽(yáng)光直接泵浦激光器的光腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重大指導(dǎo)意義。長(zhǎng)春理工大學(xué)利用菲涅爾透鏡和錐形場(chǎng)鏡組成的聚光系統(tǒng),獲得了2.8 W的連續(xù)激光輸出,但由于指標(biāo)存在不足,光-光轉(zhuǎn)換效率只有0.81%[38]。
圖4 (a)太陽(yáng)光泵浦激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖;(b)分腔水冷型鍍金錐形腔結(jié)構(gòu)圖。
目前,我國(guó)在高效太陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面與國(guó)外仍然存在一定差距,激光輸出效率普遍較低,主要原因在于國(guó)內(nèi)針對(duì)該研究的起步時(shí)間較晚。但就目前的趨勢(shì)來(lái)看,國(guó)內(nèi)在光收集效率提升方面已與國(guó)外差距顯著縮小,有望實(shí)現(xiàn)超越。
增益介質(zhì)是固體激光器的核心,其決定激光輸出波長(zhǎng)和光轉(zhuǎn)化效率[39]。如前所述,太陽(yáng)光的能量主要集中在可見(jiàn)光波段,增益介質(zhì)只有同時(shí)滿足對(duì)可見(jiàn)光的高匹配度、高吸收量和高轉(zhuǎn)化效率,才能充分提高泵浦效率,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出。因此,選擇和開(kāi)發(fā)適用于太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的增益介質(zhì)尤為關(guān)鍵[40]。在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器中,玻璃及玻璃光纖、單晶和陶瓷是目前最常用的增益介質(zhì)。
玻璃介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)在于制備工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)大尺寸制備、摻雜均勻性好及散射損耗低,是太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的常用增益介質(zhì)。
玻璃介質(zhì)研究方面,Suzuki等[41]制備了Nd3+離子摻雜的SiO2-B2O3-Na2O-Al2O3-CaO-ZrO2(SBNACZ)玻璃,通過(guò)分析其光學(xué)吸收、熒光壽命及量子效率等特性,證實(shí)了其能夠充分提升太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的可靠性和性價(jià)比。但由于SBNACZ玻璃的聲子能量較高,使其在太陽(yáng)光激發(fā)下近紅外發(fā)射量子效率僅為21%。隨后,Suzuki等[42]制備了Nd3+離子摻雜ZrF4-BaF2-LaF3- AlF3-NaF(ZBLAN)氟化物玻璃,將太陽(yáng)光激發(fā)下的近紅外發(fā)射量子效率提升至70%。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),Nd3+摻雜氟化物玻璃的量子效率遠(yuǎn)高于相同Nd3+摻雜濃度下的碲酸鹽玻璃及硼硅酸鹽玻璃,證實(shí)了氟化物玻璃作為太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)的極大應(yīng)用潛力[43]。
Shimada等[44]系統(tǒng)研究了太陽(yáng)光泵浦激光器用Nd3+摻雜的Bi2O3-B2O3-TeO2玻璃,發(fā)現(xiàn)其相對(duì)Nd∶YAG陶瓷具有更寬的能帶、更強(qiáng)的吸收及更長(zhǎng)的熒光壽命。在此基礎(chǔ)上,Shimada等[45]通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),Nd3+/Yb3+共摻雜Bi2O3-B2O3-TeO2玻璃比Nd3+單摻雜Bi2O3-B2O3-TeO2玻璃具有更高的發(fā)射強(qiáng)度,因此更適用于作為太陽(yáng)光直接泵浦激光器的增益介質(zhì)。此外,Boetti等[46]研究了Eu3+/Nd3+共摻雜的磷酸鹽玻璃的光學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)其在390 nm紫外光激發(fā)下,Eu3+與Nd3+離子之間的能量傳遞極易導(dǎo)致Nd3+離子的濃度依賴性猝滅,不利于提升Nd3+離子的量子效率。盡管如此,該研究為玻璃基質(zhì)的摻雜離子選擇優(yōu)化提供了有效參考。
然而,玻璃介質(zhì)具有熱導(dǎo)率低、熱穩(wěn)定性差、機(jī)械性能差等本征缺陷,極大地限制了其在高功率太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器中的應(yīng)用。而采用先進(jìn)拉絲技術(shù),將塊狀玻璃介質(zhì)制備成具有良好散熱性能的增益光纖,不僅能夠有效改善激光介質(zhì)在高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因溫度過(guò)高導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換效率降低及光猝滅現(xiàn)象,而且能夠充分克服塊狀玻璃介質(zhì)的缺陷,在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器方面應(yīng)用前景廣闊[47]。
在光纖基太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器研究方面,Saiki等[48]提出硅酸鹽玻璃基光纖是太陽(yáng)光泵浦固體激光器最有前途的增益介質(zhì)之一,并采用色溫為5 600 K的閃光燈作為泵浦源,實(shí)現(xiàn)了對(duì)Nd3+離子摻雜的D型雙包層多模光纖在準(zhǔn)太陽(yáng)光泵浦作用下的激光振蕩。當(dāng)光源在光纖端面處的輸入功率為l.1 W時(shí),成功獲得輸出功率為300 mW的激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)27%。Iwata等[49]通過(guò)模擬Er3+離子摻雜的硅酸鹽、碲酸鹽、磷酸鹽和氟化物基光纖介質(zhì)在太陽(yáng)光激發(fā)下的光學(xué)性能,研究發(fā)現(xiàn)Er3+摻雜氟化物和硅酸鹽光纖具有相對(duì)碲酸鹽和磷酸鹽光纖更高的量子效率,更適用于太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的增益介質(zhì)。
通常,稀土摻雜的玻璃光纖的非輻射弛豫概率較大,降低了稀土離子的發(fā)光效率;而微晶玻璃光纖能夠有效降低該非輻射躍遷概率,成為太陽(yáng)光泵浦固體激光器的優(yōu)良介質(zhì)材料。方再金等[50]通過(guò)探究Ce3+/Cr3+-Yb3+共摻雜玻璃光纖和YAG微晶玻璃光纖的光譜性能,并結(jié)合理論分析證明了微晶玻璃光纖相對(duì)傳統(tǒng)玻璃光纖具有更高的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化效率,應(yīng)用前景廣闊。
綜上,采用光纖作為太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出方面具有極大潛力,并獲得了廣泛關(guān)注。但采用光纖介質(zhì)在設(shè)計(jì)方面難度較大,如太陽(yáng)光泵浦單束光纖需要盡可能追求小匯聚光斑,對(duì)太陽(yáng)光收集系統(tǒng)要求極高。盡管采用組合光纖束方式能夠緩解上述問(wèn)題,但極易造成較大的功率損耗,降低光輸出效率。此外,在太陽(yáng)光直接泵浦光纖介質(zhì)固體激光器的理論研究及實(shí)驗(yàn)?zāi)M方面,鮮有深入分析報(bào)道,仍需進(jìn)一步探索。
單晶具有散射損耗低、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高和化學(xué)穩(wěn)定性好等特性,有利于實(shí)現(xiàn)高功率、高效率激光輸出,得到了廣泛研究[51]。其中,Nd∶YAG晶體具有熔點(diǎn)高、量子效率高、抗蠕變能力強(qiáng)、透光范圍廣等優(yōu)勢(shì),其較低的聲子能量有利于抑制無(wú)輻射躍遷,提高激光輸出效率。同時(shí),Nd3+離子具有四能級(jí)結(jié)構(gòu),有利于降低激光閾值,且Nd3+離子在可見(jiàn)光波段具有豐富的吸收帶,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效吸收。在相同的泵浦功率下,Nd∶YAG的激光輸出功率相對(duì)于CaWO4單晶高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,Nd∶YAG單晶成為目前最常用的太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)[7]。
1966年,Young采用直徑3 mm、長(zhǎng)度30 mm的1% Nd∶YAG單晶,首次實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光直接泵浦固體激光輸出,但由于晶體尺寸限制、光腔設(shè)計(jì)的不完善及熱透鏡效應(yīng),使其激光輸出功率僅為1 W,光轉(zhuǎn)換效率低至0.57%[10]。隨后,研究人員針對(duì)Nd∶YAG基太陽(yáng)光泵浦固體激光器激光輸出功率及效率提升方面展開(kāi)了大量研究,主要體現(xiàn)在晶體形狀及尺寸優(yōu)化、光腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化及Nd3+離子摻雜濃度等方面,并取得了豐碩的成果[52-55]。Dinh等[55]采用菲涅爾透鏡作為初級(jí)收集器件、液體光波導(dǎo)透鏡和混合泵浦腔相結(jié)合的多級(jí)匯聚方式泵浦直徑6 mm、長(zhǎng)14 mm的激光棒,實(shí)現(xiàn)了120 W激光輸出功率,斜效率為4.3%。特別是在晶體形狀及尺寸優(yōu)化方面,Liang等[34]研究發(fā)現(xiàn),表面凹槽加工的Nd∶YAG晶體能夠有效避免熱透鏡效應(yīng)。 該方案采用直徑4 mm、長(zhǎng)34 mm、槽距0.6 mm、槽深0.1 mm的Nd∶YAG棒,最終實(shí)現(xiàn)激光斜效率為2.36%。李金華等[37]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),采用螺紋結(jié)構(gòu)Nd∶YAG晶體棒可有效增大其與冷卻液的接觸面積,相對(duì)于未加工的激光棒,采用螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可將熱焦距增大12.9%,從而有效降低晶體棒的熱透鏡效應(yīng),最終實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換效率為3.2%、斜效率為4.25%的有益效果。
然而,Nd3+離子作為鑭系稀土離子,其電子躍遷屬于典型的f-f躍遷。由于Nd3+離子4f殼層內(nèi)的電子受到5s25p6殼層的屏蔽,使其f-f躍遷受周圍晶體場(chǎng)的影響較小,導(dǎo)致了其窄線譜吸收特性,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)寬譜帶、非相干特性的太陽(yáng)光的高效吸收。而Cr3+離子在可見(jiàn)光波段有寬范圍、強(qiáng)吸收特性,其吸收太陽(yáng)輻射能力強(qiáng)于Ce3+離子,遠(yuǎn)高于Nd3+離子[56]。張立偉等[57]通過(guò)理論計(jì)算證明了在Cr3+/Nd∶YAG體系中,當(dāng)Cr3+離子的摻雜濃度僅為0.1%、Nd3+離子的摻雜濃度為1.0%時(shí),Cr3+和Nd3+的各個(gè)吸收帶吸收的太陽(yáng)光總能量就已經(jīng)能夠達(dá)到太陽(yáng)常數(shù)的38.44%。同時(shí),Cr3+離子的發(fā)射帶與Nd3+離子的吸收帶高度重合,因此可將吸收的太陽(yáng)光能量有效傳遞給Nd3+離子,實(shí)現(xiàn)Cr敏化太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出。Cr3+-Nd3+離子間能量傳輸機(jī)制如圖5所示[40]。在能量傳遞效率方面,鄧俊勇等[58]通過(guò)對(duì)比不同可見(jiàn)光激發(fā)波長(zhǎng)下,YAG基質(zhì)中各種稀土離子對(duì)、過(guò)渡金屬離子-稀土離子對(duì)之間的能量傳遞效率,證實(shí)了在所有離子對(duì)中,Cr3+-Nd3+離子對(duì)之間的能量傳遞效率最高,其在430 nm波長(zhǎng)激發(fā)下的能量傳遞效率高達(dá)95.2%。由此可見(jiàn),太陽(yáng)光泵浦固體激光增益介質(zhì)采用Cr-Nd共摻雜方式,是提升光轉(zhuǎn)化效率行之有效的方法。
圖5 Cr3+與Nd3+離子間能量傳遞示意圖
除Cr,Nd∶YAG晶體外,目前能夠?qū)崿F(xiàn)Cr,Nd共摻雜太陽(yáng)光泵浦固體激光器增益介質(zhì)主要有Cr∶Nd∶GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)、Cr∶Nd∶GGG(Gd3Ga5-O12)、Cr∶Nd∶YSGG(Y3Sc2Ga3O12)等[24]。然而,雖然Cr∶Nd∶GSGG、Cr∶Nd∶GGG、Cr∶Nd∶YSGG具有比Nd∶YAG更高的抗輻射性能,但其發(fā)射截面和熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于YAG,不利于連續(xù)高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)[59]。盡管镥鋁石榴石(LuAG)能夠克服上述缺陷,但是LuAG的高熔點(diǎn)導(dǎo)致了其較高的制備難度和成本。因此,Cr、Nd共摻雜的YAG材料成為最佳選擇。然而,Cr3+在激光運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易被氧化為Cr4+,而Cr4+在1 μm波段的寬帶吸收特性不利于激光性能提升,導(dǎo)致Cr3+離子摻雜太陽(yáng)光泵浦增益介質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用受到限制。此外,Ce∶Nd∶YAG也有相關(guān)報(bào)道,并在太陽(yáng)光直接泵浦情況下實(shí)現(xiàn)了有效激光輸出,證明了其作為有效激光工作物質(zhì)的可能性[60]。
盡管單晶材料作為目前固體激光器最常用的激光增益介質(zhì),有將近60年的發(fā)展歷史,但依然存在制備成本高、能耗大、制備周期長(zhǎng)(可達(dá)1個(gè)月)、均勻性差、難以實(shí)現(xiàn)大尺寸制備及高濃度摻雜等問(wèn)題,上述問(wèn)題迄今未能有效解決,極大地限制了其在太陽(yáng)光泵浦激光器中的實(shí)際應(yīng)用[61]。
相對(duì)于單晶材料,透明陶瓷作為新一代固體激光增益介質(zhì),其僅通過(guò)高溫?zé)Y(jié)原料粉體便能實(shí)現(xiàn)材料的致密化,制備溫度遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn),制備周期僅為1周。同時(shí),陶瓷材料以其多晶態(tài)本征特性,易于實(shí)現(xiàn)高濃度、均勻化的離子摻雜[62]。特別地,只有大尺寸的固體激光增益介質(zhì)才能夠真正實(shí)現(xiàn)空天太陽(yáng)光泵浦激光應(yīng)用,而透明陶瓷的尺寸僅取決于成型模具大小,這是單晶材料遠(yuǎn)無(wú)法比擬的。透明陶瓷是目前固體激光材料研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn),與激光光纖一起被稱作是“最具有開(kāi)發(fā)潛力的激光材料”,發(fā)展前景廣闊[63]。對(duì)于太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器,目前常用的透明陶瓷基增益介質(zhì)為Cr,Nd∶YAG[40,64-66]。
在太陽(yáng)光直接泵浦Cr,Nd∶YAG陶瓷的研究中,低密度泵浦Cr,Nd∶YAG陶瓷的實(shí)驗(yàn)中能夠觀察到很強(qiáng)的小信號(hào)增益現(xiàn)象[67-68]。在激光輸出方面,日本處于全球壟斷地位[69-71]。Yabe采用Cr,Nd∶YAG陶瓷先后獲得24.4 W和80 W的激光輸出[12-13],并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了Cr,Nd∶YAG陶瓷中的小增益系數(shù)比Nd∶YAG陶瓷高3~5倍。Saiki[72]等采用白光激發(fā)的方式,更是將Cr,Nd∶YAG透明陶瓷激光輸出功率突破千瓦量級(jí),且光轉(zhuǎn)化效率高達(dá)63%,其激光裝置圖如圖6所示。葡萄牙Liang等[15]采用0.64 m2的菲涅耳透鏡作為初級(jí)收集系統(tǒng),通過(guò)激勵(lì)直徑4 mm、長(zhǎng)度25 mm的Nd∶YAG單晶棒,實(shí)現(xiàn)19.3 W/m2的激光收集效率。隨后,Almeida等[73]對(duì)比了相同尺寸的Cr,Nd∶YAG陶瓷與單晶的太陽(yáng)光泵浦激光輸出性能,分別獲得功率為13.5 W(陶瓷)與12.3 W(單晶)的激光輸出,進(jìn)一步證實(shí)了陶瓷材料作為激光增益介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。
圖6 采用白光激發(fā)Cr,Nd∶YAG透明陶瓷突破千瓦量級(jí)輸出功率示意圖
相比之下,我國(guó)關(guān)于太陽(yáng)光直接泵浦Cr,Nd∶YAG透明陶瓷的研究起步較晚。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江教授團(tuán)隊(duì)于2008年首次實(shí)現(xiàn)Cr,Nd∶YAG透明陶瓷制備[74],使我國(guó)成為國(guó)際上少數(shù)掌握Cr,Nd∶YAG透明陶瓷制備技術(shù)的國(guó)家[75]。隨后,中科院上海光機(jī)所[76-77]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[40,78]、中科院理化所[79]等科研單位均在Cr,Nd∶YAG透明陶瓷制備及太陽(yáng)光泵浦激光方面取得了豐碩的成果。 北京理工大學(xué)深入分析了Cr,Nd∶YAG陶瓷作為太陽(yáng)光泵浦材料的可行性,證實(shí)Cr,Nd∶YAG陶瓷是太陽(yáng)光泵浦激光器工作介質(zhì)的理想選擇[57]。2019年,中科院上海硅酸研究所對(duì)太陽(yáng)光泵浦Cr,Nd∶YAG陶瓷透過(guò)率及散射損耗系數(shù)的分析得出,若通過(guò)優(yōu)化太陽(yáng)光收集系統(tǒng)使總濃度C=10 000,側(cè)面泵浦直徑6 mm、長(zhǎng)80 mm的Cr,Nd∶YAG陶瓷,可實(shí)現(xiàn)123 W的激光功率輸出[80]。
實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、適用于太空環(huán)境下的陶瓷基增益介質(zhì)制備,對(duì)于突破太陽(yáng)光直接泵浦激光器長(zhǎng)期發(fā)展的桎梏、滿足我國(guó)未來(lái)空天戰(zhàn)略需求意義重大。但從整體上來(lái)看,我國(guó)關(guān)于陶瓷基太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)的研究仍在起步階段,相關(guān)激光輸出的報(bào)道較少,與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有差距。因此,我國(guó)仍需進(jìn)一步加大對(duì)透明陶瓷的研發(fā)力度,方能滿足未來(lái)太陽(yáng)光直接泵浦激光器的實(shí)際發(fā)展需求,縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距。
對(duì)于太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器,單一結(jié)構(gòu)單晶或陶瓷介質(zhì)在激光運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,極易導(dǎo)致其熱量分布不均勻,造成熱透鏡效應(yīng),降低激光輸出性能[81]。采用鍵合結(jié)構(gòu)單晶/陶瓷介質(zhì)可有效改善激光介質(zhì)在激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的熱效應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出[82-83]。不僅如此,鍵合結(jié)構(gòu)固體激光材料能夠通過(guò)多元化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)固體激光器的多功能應(yīng)用,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
北京理工大學(xué)采用直徑6 mm、長(zhǎng)度95 mm、槽距0.6 mm、槽深0.1 mm的Nd∶YAG/YAG鍵合晶體棒(如圖7所示),實(shí)現(xiàn)了收集效率為32.1 W/m2、斜效率為5.4%、光轉(zhuǎn)換效率為3.3%的連續(xù)激光輸出。結(jié)果表明,采用鍵合晶體棒獲得的最大輸出功率比非鍵合晶體棒提升22.6%,光束質(zhì)量因子也從126優(yōu)化至61[84]。然而,單晶材料之間的鍵合結(jié)合面強(qiáng)度較弱,極易產(chǎn)生空氣間隙造成光散射,降低激光輸出性能。
圖7 泵浦腔與Nd∶YAG/YAG鍵合晶體棒結(jié)合原理圖
相對(duì)于單晶鍵合技術(shù),透明激光陶瓷能夠采用高溫?zé)Y(jié)技術(shù),通過(guò)熱擴(kuò)散方式消除鍵合面之間的縫隙,其在鍵合強(qiáng)度方面遠(yuǎn)高于鍵合單晶介質(zhì),在固體激光應(yīng)用方面潛力巨大。目前,復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷已經(jīng)成為固體激光增益介質(zhì)的主要發(fā)展方向之一[85-87]。表2展示了不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合型Nd∶YAG陶瓷的激光輸出特性,也充分體現(xiàn)出復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷作為激光增益介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。
表2 不同復(fù)合結(jié)構(gòu)Nd∶YAG透明陶瓷及其激光特性
復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷介質(zhì)在未來(lái)高功率激光輸出方面具有無(wú)限潛力,其極大程度地緩解了熱透鏡效應(yīng),且相比單晶,復(fù)合陶瓷在尺寸形狀變化、高摻雜濃度以及極端天氣應(yīng)對(duì)方面具有很高的靈活性、均勻性與穩(wěn)定性,其在未來(lái)空天應(yīng)用的無(wú)限潛力毋庸置疑。
激光輸出性能是評(píng)價(jià)太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此,除了選擇高效的匯聚模式和優(yōu)異的增益介質(zhì)外,還需要對(duì)激光器進(jìn)行合理的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以提升其激光性能。目前,太陽(yáng)光泵浦固體激光器常用光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括泵浦方式設(shè)計(jì)和熱管理模式設(shè)計(jì)[34,88-92]。
在泵浦方式設(shè)計(jì)方面,目前太陽(yáng)光泵浦固體激光器泵浦方式為端面泵浦方式、側(cè)面泵浦方式及端-側(cè)混合泵浦方式。其中,端面泵浦方式有利于獲得高太陽(yáng)光收集效率,是提高激光輸出功率、光轉(zhuǎn)換效率有效的泵浦方式。Dinh等[55]將4 m2的菲涅爾透鏡和液體導(dǎo)光透鏡組合,并端面泵浦Nd∶YAG晶體棒,獲得了30 W/m2收集效率。采用光纖作為傳輸介質(zhì)端面泵浦固體增益介質(zhì)方面[93],Liang等[94]報(bào)道了一種由19根光纖組成的柔性光波導(dǎo),證實(shí)了其能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)60 W的傳輸功率,效率為60%。但由于出射光的角度分布較大,無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量其輸出端的光通量,且該設(shè)計(jì)需要較高的加工精度,導(dǎo)致光纖傳輸方案實(shí)施難度較大,目前鮮有相關(guān)報(bào)道。并且端面泵浦方式的匯聚能量較為集中,容易造成增益介質(zhì)上的局部熱沉積并形成較大溫度梯度,導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng),降低光學(xué)質(zhì)量。
近期研究發(fā)現(xiàn),側(cè)面泵浦盤繞光纖有望獲得低激光閾值[98-99]。同時(shí),該盤繞設(shè)計(jì)不再局限于追求小匯聚光斑,能夠在減小匯聚難度的同時(shí)提高激光輸出功率,發(fā)展?jié)摿薮?。Masuda等[100]將長(zhǎng)為40 m的盤繞光纖置于充滿敏化劑溶液的環(huán)形腔內(nèi),最終獲得的激光閾值僅為太陽(yáng)光匯聚密度的15倍,且該閾值相對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)光直接泵浦固體增益介質(zhì)方式的閾值低兩個(gè)數(shù)量級(jí),意義重大。
近年來(lái),太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的多級(jí)匯聚方式容易導(dǎo)致激光工作物質(zhì)尺寸與匯聚光尺寸不匹配,因此采用端-側(cè)混合泵浦成為優(yōu)選方式。該方式是將增益介質(zhì)放置在錐形腔內(nèi),使未聚焦到晶體端面上的匯聚光通過(guò)錐形腔進(jìn)一步反射到增益介質(zhì)上,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)匯聚光的高效利用。該泵浦方式是目前提升太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器光轉(zhuǎn)化效率的最佳選擇[101-103]。從圖8中可以看到,在端-側(cè)混合泵浦方式下,其介質(zhì)中的增益分布與僅采用端面或側(cè)面泵浦方式下的增益分布顯著不同。其中一部分輻射會(huì)通過(guò)導(dǎo)光管內(nèi)壁的全反射直接聚焦到晶體棒的端面上,產(chǎn)生激光振蕩;另一部分輻射則被引導(dǎo)到錐形腔中并反射至介質(zhì)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的側(cè)面泵浦,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光的高效利用[101]。
圖8 帶有3D-CPC輸出端的錐形熔融石英光波導(dǎo)與錐形泵腔耦合有效泵浦直徑為5 mm的Nd∶YAG激光棒
然而,相對(duì)于端面或側(cè)面泵浦,端-側(cè)混合泵浦在光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面要求較高,因此通常需要借助理論設(shè)計(jì)及軟件模擬(通常采用ZEMAX及LASCAD等光學(xué)模擬軟件),對(duì)光腔及增益介質(zhì)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化,以確定最佳泵浦條件及光學(xué)參數(shù)。Almeida等[101]使用ZEMAX軟件模擬了太陽(yáng)光泵浦激光器系統(tǒng)的光線路徑,結(jié)合Nd∶YAG吸收光譜與太陽(yáng)光光譜之間16%左右的重疊,以及0.27°的半張角,精確獲得了介質(zhì)吸收損失參數(shù),并通過(guò)LASCAD軟件對(duì)ZEMAX分析得到的泵浦通量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)了激光諧振腔參數(shù)優(yōu)化,并基于優(yōu)化參數(shù),獲得了40 W連續(xù)太陽(yáng)光泵浦激光輸出,收集效率為13.9 W/cm2,斜效率為2.9%。在此基礎(chǔ)上,Almeida等[102]采用ZEMAX軟件針對(duì)錄入的Nd∶YAG晶體與太陽(yáng)光光譜匹配的22個(gè)吸收峰數(shù)值等參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)收集系統(tǒng)光路的模擬,分析得出當(dāng)匯聚太陽(yáng)光功率為1 600 W時(shí),最大多模激光輸出功率可達(dá)61.6 W;并采用端-測(cè)混合泵浦直徑5 mm、長(zhǎng)度25 mm、1% Nd∶YAG的晶體,獲得了功率為56 W的連續(xù)激光輸出,收集效率為21.1 W/m2。
Guan等[84]采用TracePro和LASCAD軟件實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了高達(dá)32.1 W/m2的多模收集效率。Liang等[103]通過(guò)ZEMAX軟件模擬,將增益介質(zhì)劃分為18 000個(gè)區(qū)域,并結(jié)合增益介質(zhì)的有效吸收系數(shù)獲得了其最優(yōu)化的模式匹配。圖9為優(yōu)化后介質(zhì)中心橫截面的最大泵浦通量示意圖,可見(jiàn)端-側(cè)混合泵浦方式的增益主要集中于介質(zhì)端面,同時(shí)也可以看出通過(guò)端-側(cè)泵浦結(jié)合方式能夠獲得更高的增益。最終在基模和多模情況下,獲得的光束質(zhì)量因子分別為1.2和53.5,最高收集效率分別為7.9 W/m2及31.5 W/m2。
圖9 采用端-側(cè)混合泵浦方式下Nd∶YAG晶體沿中心橫截面的泵浦通量情況
由此可見(jiàn),上述泵浦方式在激光性能的提升方面存在博弈。因此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求,合理選擇泵浦方式,獲得最佳激光輸出方案。
除泵浦方式設(shè)計(jì)外,合理的光腔的熱管理模式設(shè)計(jì)有利于避免過(guò)高的熱負(fù)荷,提升光束質(zhì)量,是獲得高性能激光輸出的關(guān)鍵。Liang等[35]采用一種新型的熔融石英液體光波導(dǎo)透鏡以及水冷穿過(guò)晶體四周的獨(dú)特冷卻方法(見(jiàn)圖10),該方案能夠有效地將來(lái)自拋物面鏡聚焦區(qū)的太陽(yáng)輻射耦合到錐形泵浦腔內(nèi)的激光棒中,并通過(guò)端面泵浦直徑為4.5 mm、長(zhǎng)度為35 mm的Cr∶Nd∶YAG陶瓷棒,最終實(shí)現(xiàn)32.5 W 1 064 nm的連續(xù)激光輸出。
圖10 新型熔融石英液體光波導(dǎo)透鏡的水冷方案
特別地,對(duì)于空天太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器,其只有充分克服宇宙中極端溫差導(dǎo)致的不利影響,才能滿足實(shí)際空天應(yīng)用、充分滿足備受關(guān)注的太空軌道衛(wèi)星安全等重大國(guó)防需求。然而,到目前為止,在所有文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)中鮮有針對(duì)太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器熱管理模式設(shè)計(jì)的相關(guān)報(bào)道。
太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的重要性已引起極大關(guān)注,并取得了較大進(jìn)展,但仍然存在一些問(wèn)題:
(1)在理論研究方面,目前人們針對(duì)太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的研究多集中于實(shí)驗(yàn)論證方面,然而,在理論研究方面仍有一些問(wèn)題有待完善。如增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)缺陷與材料光熱損傷之間的聯(lián)系、摻雜離子在介質(zhì)中的濃度分布及偏析的影響、不同種類及濃度的離子摻雜對(duì)介質(zhì)固溶度的影響等方面,皆需要建立有效的理論模型。其次,在模擬太陽(yáng)光泵浦方面,需要基于準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化,且光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也使得軟件模擬需要考慮更多的參數(shù),增大了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異性??偟膩?lái)說(shuō),基于太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的理論完善仍然處于初步探索階段,只有不斷完善相關(guān)理論體系,并以此進(jìn)一步指導(dǎo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn),才能從本質(zhì)上推動(dòng)太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
(2)在太陽(yáng)光收集方面,陽(yáng)光收集光學(xué)系統(tǒng)的選擇及設(shè)計(jì)依舊是泵浦能量密度提升的關(guān)鍵。盡管目前關(guān)于太陽(yáng)光功率密度提升研究方面取得了一定進(jìn)展,但總體來(lái)看,受透鏡材質(zhì)及加工等因素限制,光收集效率仍然較低,特別是環(huán)境因素(如大風(fēng)環(huán)境、云彩遮擋等)極易對(duì)太陽(yáng)光收集穩(wěn)定性造成不利影響,導(dǎo)致軟件模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。此外,目前的太陽(yáng)光泵浦固體激光器的體積遠(yuǎn)大于LD泵浦固體激光器,導(dǎo)致其難以精確控制光匯聚參數(shù),不利于精確聚焦,且成本高昂。
(3)在泵浦方式的選擇方面,如前所述,端面泵浦容易產(chǎn)生較低的光束質(zhì)量,側(cè)面泵浦不利于實(shí)現(xiàn)激光收集效率提升。盡管端-側(cè)混合泵浦方式能夠在一定程度上緩解上述問(wèn)題,但該泵浦方式容易產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力,特別是在高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)情況下,較高的熱應(yīng)力極易使增益介質(zhì)產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng),使激光束變寬,降低輸出功率。因此,為了實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量、高收集效率及高亮度太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出,需要在上述泵浦方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),意義重大。
(4)在激光增益介質(zhì)方面:①激光單晶是太陽(yáng)光泵浦固體激光器最常用增益介質(zhì),但單晶制備過(guò)程復(fù)雜且無(wú)法實(shí)現(xiàn)高濃度均勻摻雜。盡管透明陶瓷能夠克服單晶缺陷且易于調(diào)控尺寸,但由于受陶瓷制備工藝水平限制,當(dāng)前陶瓷介質(zhì)仍存在較大的散射損耗,極大地制約了其實(shí)際激光應(yīng)用。因此,實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)的制備工藝優(yōu)化,是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出的基礎(chǔ)。②由于太陽(yáng)光的能量密度遠(yuǎn)低于二極管泵浦光,因此實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效吸收是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量太陽(yáng)光泵浦固體激光輸出的前提。如前所述,Cr離子能夠高效吸收可見(jiàn)光能量,但Cr離子的+3價(jià)態(tài)可控是目前實(shí)現(xiàn)Cr離子摻雜增益介質(zhì)性能優(yōu)化的最大瓶頸。截至目前,鮮有高濃度Cr離子摻雜增益介質(zhì)的有效價(jià)態(tài)調(diào)控報(bào)道。③能夠充分適應(yīng)嚴(yán)苛的宇宙環(huán)境是太陽(yáng)光泵浦固體激光器實(shí)現(xiàn)空天應(yīng)用的前提。由于宇宙空間中存在大量紫外線及高能射線,其極易導(dǎo)致增益介質(zhì)產(chǎn)生大量缺陷及色心,不利于激光輸出。因此,如何充分調(diào)控增益介質(zhì)制備工藝以實(shí)現(xiàn)其有效電荷補(bǔ)償,或采用多功能復(fù)合結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)設(shè)計(jì)使其對(duì)高能射線造成有效屏蔽,進(jìn)而充分克服高能射線的不利影響,是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光泵浦固體激光器實(shí)際空天應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。④只有制備大尺寸激光增益介質(zhì)才能充分實(shí)現(xiàn)其與匯聚光斑尺寸匹配。由于技術(shù)條件限制,單晶難以實(shí)現(xiàn)大尺寸制備。盡管透明陶瓷介質(zhì)的尺寸取決于模具大小,但實(shí)現(xiàn)其大尺寸制備仍然存在許多技術(shù)難題,主要體現(xiàn)在燒結(jié)時(shí)受熱不均勻,造成燒結(jié)收縮不一致甚至開(kāi)裂。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化陶瓷粉體流動(dòng)性及分散性,以增加陶瓷素坯的微觀均勻性,提升陶瓷質(zhì)量。
隨著固體激光技術(shù)的蓬勃發(fā)展,太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器在未來(lái)具有不可估量的應(yīng)用潛力。因此,不斷優(yōu)化太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器收集器件及設(shè)計(jì)方式、積極探索高效聚光模式以及充分提升增益介質(zhì)性能,是推進(jìn)太陽(yáng)光直接泵浦固體激光技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵。其中,實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)品質(zhì)的本質(zhì)提升是重中之重,其對(duì)于提升太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器輸出功率、提高太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)化光束質(zhì)量及光譜調(diào)控至關(guān)重要。透明陶瓷作為新一代固體激光器增益介質(zhì),其在大尺寸制備、摻雜設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面相對(duì)單晶及玻璃介質(zhì)具有明顯優(yōu)勢(shì)??梢?jiàn),實(shí)現(xiàn)透明陶瓷介質(zhì)品質(zhì)的本質(zhì)提升,是達(dá)成上述目標(biāo)的關(guān)鍵。
在激光輸出功率提升方面,其核心在于采用具有大尺寸、低散射損耗、高熱導(dǎo)率的增益介質(zhì)。如前所述,透明陶瓷的尺寸僅取決于成型模具大小,使其成為高功率固體激光器增益介質(zhì)的優(yōu)良選擇。然而,大尺寸陶瓷成型時(shí)的顆粒分布不均勻容易導(dǎo)致差異燒結(jié),使陶瓷燒結(jié)收縮不一致甚至出現(xiàn)裂紋,降低陶瓷質(zhì)量。因此,采用先進(jìn)造粒手段進(jìn)一步優(yōu)化陶瓷粉體的流動(dòng)性及均勻性,同時(shí)合理調(diào)控陶瓷燒結(jié)制度以減小陶瓷燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力,盡可能實(shí)現(xiàn)陶瓷的均一致密化,是提升大尺寸透明陶瓷性能的關(guān)鍵。
在太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化效率提升方面,其核心在于盡可能提升太陽(yáng)輻射能吸收量及能量轉(zhuǎn)化效率,因此需要在摻雜技術(shù)上有所突破。透明陶瓷可通過(guò)Tm3+、Cr3+、Nd3+、Yb3+等離子摻雜,在光譜調(diào)控的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的高效率吸收及能量傳遞。以Cr3+-Nd3+離子摻雜石榴石基透明陶瓷為例,由于太陽(yáng)光的能量密度遠(yuǎn)低于二極管泵浦光,因此只有在寬泛的Cr-Nd離子摻雜濃度下,才能夠高效吸收太陽(yáng)光能量,從而實(shí)現(xiàn)其高效能級(jí)匹配以促進(jìn)陶瓷光轉(zhuǎn)化效率提升。單晶受分凝系數(shù)的限制難以實(shí)現(xiàn)高濃度離子摻雜,而陶瓷中的“晶界效應(yīng)”能夠在一定程度上釋放不對(duì)稱晶格取代產(chǎn)生的應(yīng)力,有利于提高離子摻雜濃度從而提升陶瓷對(duì)太陽(yáng)光的吸收量。盡管高濃度Cr離子摻雜有利于充分吸收太陽(yáng)光,但過(guò)高離子摻雜濃度也將不可避免地導(dǎo)致濃度猝滅甚至晶界偏析,降低光轉(zhuǎn)化效率及陶瓷光學(xué)質(zhì)量。因此,對(duì)于透明陶瓷介質(zhì),需要從晶界效應(yīng)、濃度猝滅到其中的相互作用機(jī)理等方面展開(kāi)多層次、多角度的深入研究,建立組分摻雜與太陽(yáng)光能量的吸收量-轉(zhuǎn)化效率之間的規(guī)律和關(guān)聯(lián)性,最終實(shí)現(xiàn)其光轉(zhuǎn)化效率的本質(zhì)提升。
在光束質(zhì)量提升及光譜調(diào)控方面,其核心在于在材料結(jié)構(gòu)上有所突破。透明陶瓷可充分利用其制備工藝靈活的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)、包芯、長(zhǎng)條以及碟片等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),充分緩解單一塊體結(jié)構(gòu)介質(zhì)在激光運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的受熱不均現(xiàn)象,有利于在極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定激光輸出,這是單晶及玻璃介質(zhì)均無(wú)法比擬的。因此,下一步工作需要在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單一結(jié)構(gòu)陶瓷制備的基礎(chǔ)上,積極探索復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷成型工藝,實(shí)現(xiàn)接觸面高強(qiáng)度契合的復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷制備。其重點(diǎn)在于探索透明陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中的各種機(jī)制,充分消除氣孔和缺陷等各種散射源,制備出光學(xué)性能和物理性能優(yōu)異的復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷,進(jìn)而提升太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器激光光束質(zhì)量。
目前,我國(guó)在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器的研究方面與國(guó)際先進(jìn)領(lǐng)域雖然存在較大差距,但隨著我國(guó)在該方面研究的投入不斷加大,科研工作不斷深入,我們有理由相信,我國(guó)在太陽(yáng)光直接泵浦固體激光器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量激光輸出方面必將取得重大突破,使其在軍民應(yīng)用中造福人類的愿景成為現(xiàn)實(shí)。