太陽光直接泵浦固體激光器相對于傳統(tǒng)二極管泵浦激光器具有能耗低、效率高等優(yōu)勢，在大氣傳感、深空通信及國防安全等重要領域具有極大的應用潛力，戰(zhàn)略意義重大。因此，設計高效的陽光收集光學系統(tǒng)、選擇及開發(fā)對可見光波段具有高匹配度、高吸收量和高轉(zhuǎn)化效率的增益介質(zhì)極為重要。

近日，江蘇師范大學陳浩教授團隊在《發(fā)光學報》發(fā)表了題為“太陽光直接泵浦固體激光器研究進展”的綜述文章。

該綜述重點介紹了太陽光直接泵浦固體激光器的陽光收集光學系統(tǒng)、增益介質(zhì)及泵浦系統(tǒng)設計的國內(nèi)外研究進展，揭示了其與激光輸出質(zhì)量及光轉(zhuǎn)化效率提升的定向關聯(lián)。提出在太陽光直接泵浦固體激光器發(fā)展中，高匯聚效率及高功率的激光輸出是核心研究目標，而高品質(zhì)增益介質(zhì)是實現(xiàn)上述目標的關鍵所在。最后，展望了太陽光直接泵浦固體激光器的未來發(fā)展趨勢。

1 引言

激光技術可實現(xiàn)能量集中、單向傳播距離較長、輻射亮度高等功能，是目前最重要的科學技術手段之一，在醫(yī)療、環(huán)保、半導體和航空航天工業(yè)等領域具有廣泛的應用。與其他類型激光器相比，固體激光器更易于實現(xiàn)高峰值功率輸出，且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，在激光應用領域一直處于主導地位。相對于LD泵浦，太陽光泵浦固體激光器以太陽光作為泵浦源，能夠充分克服LD泵浦的固有缺陷，應用前景廣闊。在太陽光轉(zhuǎn)化效率方面，目前最成熟的光轉(zhuǎn)化方案是通過太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，為半導體泵浦源提供能量；然后通過半導體泵浦源激勵增益介質(zhì)，實現(xiàn)激光輸出。然而該方式中較多的中間環(huán)節(jié)導致其光轉(zhuǎn)化效率最高僅為1.5%，且設備復雜、成本極高，遠無法滿足發(fā)展需求。因此，若采用太陽光直接泵浦增益介質(zhì)方式，實現(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，促進激光系統(tǒng)的集成化，降低成本。

2 太陽光直接泵浦固體激光器的激光增益介質(zhì)研究進展

增益介質(zhì)是固體激光器的核心，其決定激光輸出波長和光轉(zhuǎn)化效率。如前所述，太陽光的能量主要集中在可見光波段，增益介質(zhì)只有同時滿足對可見光的高匹配度、高吸收量和高轉(zhuǎn)化效率，才能充分提高泵浦效率，實現(xiàn)高質(zhì)量太陽光泵浦固體激光輸出。因此，選擇和開發(fā)適用于太陽光直接泵浦固體激光器的增益介質(zhì)尤為關鍵。在太陽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)。

（1）玻璃及玻璃光纖

玻璃介質(zhì)的優(yōu)勢在于制備工藝簡單、易于實現(xiàn)大尺寸制備、摻雜均勻性好及散射損耗低，是太陽光直接泵浦固體激光器的常用增益介質(zhì)。其光學吸收、熒光壽命及量子效率等特性表明，其能夠充分提升太陽光直接泵浦固體激光器的可靠性和性價比。然而，玻璃介質(zhì)具有熱導率低、熱穩(wěn)定性差、機械性能差等本征缺陷，極大地限制了其在高功率太陽光直接泵浦固體激光器中的應用。而采用先進拉絲技術，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)在高功率激光運轉(zhuǎn)過程中因溫度過高導致的轉(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，在太陽光直接泵浦固體激光器方面應用前景廣闊。

因此，采用光纖作為太陽光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)在實現(xiàn)高功率激光輸出方面具有極大潛力，并獲得了廣泛關注。但采用光纖介質(zhì)在設計方面難度較大，如太陽光泵浦單束光纖需要盡可能追求小匯聚光斑，對太陽光收集系統(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，在太陽光直接泵浦光纖介質(zhì)固體激光器的理論研究及實驗模擬方面，鮮有深入分析報道，仍需進一步探索。

（2）激光晶體

單晶具有散射損耗低、熱導率高、熱膨脹系數(shù)小、機械強度高和化學穩(wěn)定性好等特性，有利于實現(xiàn)高功率、高效率激光輸出，得到了廣泛研究。其中，Nd∶YAG晶體具有熔點高、量子效率高、抗蠕變能力強、透光范圍廣等優(yōu)勢，其較低的聲子能量有利于抑制無輻射躍遷，提高激光輸出效率。同時，Nd3+離子具有四能級結(jié)構(gòu)，有利于降低激光閾值，且Nd3+離子在可見光波段具有豐富的吸收帶，能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽光的有效吸收，成為目前最常用的太陽光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)。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躍遷受周圍晶體場的影響較小，導致了其窄線譜吸收特性，難以實現(xiàn)對寬譜帶、非相干特性的太陽光的高效吸收。而Cr3+離子在可見光波段具有寬范圍、強吸收特性，其吸收太陽輻射能力強于Ce3+離子，遠高于Nd3+離子，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光能量有效地傳遞給Nd3+離子，實現(xiàn)Cr敏化太陽光泵浦固體激光輸出。Cr3+-Nd3+離子間能量傳輸機制如圖1所示。

圖1 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共摻雜太陽光泵浦固體激光器增益介質(zhì)主要有Cr:Nd: GSGG (Gd3Sc2Ga3O12)，Cr:Nd: GGG (Gd3Ga5O12)，Cr:Nd: YSGG (Y3Sc2Ga3O12)等。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)射截面和熱導率遠低于YAG，不利于連續(xù)高功率激光運轉(zhuǎn)。因此，Cr,Nd共摻雜的YAG材料成為最佳選擇。

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(可達1個月)、均勻性差、難以實現(xiàn)大尺寸制備及高濃度摻雜等問題。上述問題迄今未能有效解決，極大地限制了其在太陽光泵浦激光器中的實際應用。

（3）透明激光陶瓷

相對于單晶材料，透明陶瓷作為新一代固體激光增益介質(zhì)，其僅通過高溫燒結(jié)原料粉體便能實現(xiàn)材料的致密化，制備溫度遠低于材料熔點，制備周期僅為1周。同時，陶瓷材料以其多晶態(tài)本征特性，易于實現(xiàn)高濃度、均勻化的離子摻雜。特別地，只有大尺寸的固體激光增益介質(zhì)才能夠真正實現(xiàn)其空天太陽光泵浦激光應用，而透明陶瓷的尺寸僅取決于成型模具大小。透明陶瓷是目前固體激光材料研究的熱點和重點，與激光光纖一起被稱作是“最具有開發(fā)潛力的激光材料”，發(fā)展前景廣闊。對于太陽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。Saiki等采用白光激發(fā)的方式，將Cr,Nd: YAG透明陶瓷激光輸出功率突破千瓦量級，且光轉(zhuǎn)化效率高達63%，其激光裝置圖如圖2所示。

圖2 采用太陽光泵浦Cr,Nd: YAG透明陶瓷提升輸出功率示意圖

實現(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，對于突破太陽光直接泵浦激光器長期發(fā)展的桎梏，滿足我國未來空天戰(zhàn)略需求意義重大。但從整體上來看，我國關于陶瓷基太陽光直接泵浦固體激光器增益介質(zhì)的研究仍在起步階段，相關激光輸出的報道較少，與國外先進水平相比仍有差距。因此，我國仍需進一步加大對透明陶瓷的研發(fā)力度，方能滿足未來太陽光直接泵浦激光器的實際發(fā)展需求，縮小與國外先進水平的差距。

（4）復合結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)

對于太陽光直接泵浦固體激光器，單一結(jié)構(gòu)單晶或陶瓷介質(zhì)在激光運轉(zhuǎn)過程中，極易導致其熱量分布不均勻，造成熱透鏡效應，降低激光輸出性能。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)在激光運轉(zhuǎn)時的熱效應，進而實現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出。不僅如此，鍵合結(jié)構(gòu)固體激光材料能夠通過多元化結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)固體激光器的多功能應用，發(fā)展?jié)摿薮?。北京理工大學采用直徑6 mm、長度95 mm、槽距0.6 mm、槽深0.1 mm的Nd: YAG/YAG鍵合晶體棒，如圖3所示，實現(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。然而，單晶材料之間的鍵合結(jié)合面強度較弱，極易產(chǎn)生空氣間隙造成光散射，降低激光輸出性能。

圖3 泵浦腔與Nd: YAG/YAG鍵合晶體棒結(jié)合原理圖

相對于單晶鍵合技術，透明激光陶瓷能夠采用高溫燒結(jié)技術，通過熱擴散方式消除鍵合面之間的縫隙，其在鍵合強度方面遠高于鍵合單晶介質(zhì)，在固體激光應用方面潛力巨大。目前，復合結(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。表1展示了不同結(jié)構(gòu)的復合型Nd: YAG陶瓷的激光輸出特性，也充分體現(xiàn)出復合結(jié)構(gòu)透明陶瓷作為激光增益介質(zhì)的優(yōu)勢。

表1 不同復合結(jié)構(gòu)Nd: YAG透明陶瓷及其激光特性

復合結(jié)構(gòu)透明陶瓷介質(zhì)在未來高功率激光輸出方面具有無限潛力，其極大程度緩解了熱透鏡效應，且相比單晶，復合陶瓷在尺寸形狀變化、高摻雜濃度以及極端天氣應對方面具有很高的靈活性、均勻性與穩(wěn)定性，在未來空天應用的無限潛力毋庸置疑。

3 問題與展望

太陽光直接泵浦固體激光器的重要性已引起了極大關注，并取得較大進展，但仍然存在一些問題，如在激光增益介質(zhì)方面：

（1）激光單晶是太陽光泵浦固體激光器最常用增益介質(zhì)，但單晶制備過程復雜且無法實現(xiàn)高濃度均勻摻雜。因此，實現(xiàn)增益介質(zhì)的制備工藝優(yōu)化是實現(xiàn)高質(zhì)量太陽光泵浦固體激光輸出的基礎。

（2）太陽光的能量密度遠低于二極管泵浦光，實現(xiàn)對太陽光的有效吸收是實現(xiàn)高質(zhì)量太陽光泵浦固體激光輸出的前提。如前所述，截至目前，鮮有高濃度Cr離子摻雜增益介質(zhì)的有效價態(tài)調(diào)控報道。

（3）宇宙空間中存在大量紫外線及高能射線，極易導致增益介質(zhì)產(chǎn)生大量缺陷及色心。因此，如何充分調(diào)控增益介質(zhì)制備工藝以實現(xiàn)其有效電荷補償，或采用多功能復合結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)設計使其對高能射線造成有效屏蔽，進而充分克服高能射線的不利影響，是實現(xiàn)太陽光泵浦固體激光器實際空天應用的重點和難點。

（4）由于技術條件限制，單晶難以實現(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，但實現(xiàn)其大尺寸制備仍然存在許多技術難題，主要體現(xiàn)在燒結(jié)時受熱不均勻、造成燒結(jié)收縮不一致甚至開裂。因此需要進一步優(yōu)化陶瓷粉體流動性及分散性，以增加陶瓷素坯的微觀均勻性，提升陶瓷質(zhì)量。

因此，實現(xiàn)增益介質(zhì)品質(zhì)的本質(zhì)提升是重中之重，其對于提升太陽光直接泵浦固體激光器輸出功率、提高太陽光轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)化光束質(zhì)量及光譜調(diào)控至關重要。

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、摻雜設計及結(jié)構(gòu)設計等方面相對單晶及玻璃介質(zhì)具有明顯優(yōu)勢。而通過上述分析可知，實現(xiàn)透明陶瓷介質(zhì)品質(zhì)的本質(zhì)提升是達成上述目標的關鍵。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、高熱導率的增益介質(zhì)；在太陽光轉(zhuǎn)化效率提升方面，其核心在于盡可能提高太陽輻射能吸收量及能量轉(zhuǎn)化效率，因此需要在摻雜技術上有所突破；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。

目前，我國在太陽光直接泵浦固體激光器的研究方面與國際先進領域雖然存在較大差距，但隨著我國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，我國在太陽光直接泵浦固體激光器實現(xiàn)高質(zhì)量激光輸出方面必將取得重大突破，使其在軍民應用中造福人類的愿景成為現(xiàn)實。

通訊作者簡介

陳浩，博士，教授，碩士研究生導師，2013年于復旦大學獲得博士學位，江蘇省333高層次人才培養(yǎng)對象。長期從事激光技術方面及特種陶瓷材料的研究及產(chǎn)業(yè)化工作。以第一／通訊作者在Opt. Lett., Opt. Express等國際期刊發(fā)表SCI論文60余篇，申請國家發(fā)明專利及國際PCT專利總計80余項。近5年主持國家自然科學基金項目2項、江蘇省重點研發(fā)計劃2項、國防科工局項目1項、徐州市重點研發(fā)計劃1項、企業(yè)橫向項目多項。作為主要工作完成人，獲得江蘇省科學技術獎三等獎1項，徐州市科技進步獎二等獎1項，淮?？萍歼M步獎1項，中國國際工業(yè)博覽會高校展區(qū)優(yōu)秀展品二等獎1項。1篇論文入選“中國精品科技期刊頂尖學術論文領跑者5000”。

團隊核心人員簡介

張樂，《發(fā)光學報》第一屆青年編委，博士，教授，碩士研究生導師，2013年于南京工業(yè)大學獲得博士學位，獲選江蘇省六大人才高峰、江蘇省科技服務“百優(yōu)人才”。主要從事光功能透明陶瓷的設計、制備與性能調(diào)控研究，及其成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化工作。以項目負責人承擔國防科工局、國家自然基金等國家級項目3項，省部級及企業(yè)委托項目4項，以研究骨干參與國防973、預研、省市重點研發(fā)計劃等。近5年，在Photo. Res.， J. Mater. Chem., J. Am. Ceram. Soc.等國際期刊發(fā)表論文47篇，其中第一作者和通訊作者發(fā)表SCI一區(qū)及二區(qū)TOP雜志32篇，綜述3篇。以第一發(fā)明人申請發(fā)明專利48項，已授權(quán)12項，成功實施科技成果轉(zhuǎn)化2項。