Joerg Neukum，DILAS銷售市場總監(jiān)；

Thomas Toepfer，Lastronics and Hellma Materials總經(jīng)理

Joachim Hein，德國耶拿大學；Mathias Siebold，德累斯頓羅森多夫研究中心

以中等重復頻率輸出高能量、超短脈沖的二極管泵浦固體激光器正獲得越來越多的研究關注（見表），其應用范圍從產(chǎn)生阿秒脈沖的泵浦激光器，到x射線和粒子物理。在這些研究領域中，對于極強電磁場來說，超短高能激光脈沖是一種無與倫比的光源，為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。預期用于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(zhì)量和穩(wěn)定性，以及高電光轉換效率和較少的維護要求。只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系統(tǒng)，才能滿足上述復合型要求。

表：高能量二極管泵浦固體激光器系統(tǒng)*

*目前高能量半導體泵浦固體激光器系統(tǒng)的概括，涉及它們的狀態(tài)和設計參數(shù)（方括號內(nèi)表示還未實現(xiàn)），包括用于慣性聚變能量（IFE）、直接啁啾脈沖放大器（CPA）和泵浦鈦寶石激光器或光泵浦CPA（OPCPA）系統(tǒng)。

隨著高功率半導體激光器技術的最新發(fā)展，人們已經(jīng)能夠在可接受的成本下獲得新一代高能量半導體泵浦激光器。半導體封裝、泵浦光傳輸、光束均勻化與驅動電路，都將在滿足可靠性要求方面起到重要作用。

為了充分發(fā)揮大型二極管泵浦固體激光器（DPSS）的潛力，需要能夠更好地將半導體泵浦系統(tǒng)經(jīng)剪裁后的發(fā)射波長與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(fā)射和吸收截面。高質(zhì)量拋光及鍍膜的大口徑元件的制備將需要適當?shù)纳�產(chǎn)設備。

新型摻鐿激光材料

大型固體激光器的脈沖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制；因此，半導體泵浦要優(yōu)于閃光燈泵浦。高峰值功率固體激光器的許多理念基于鐿（Yb³⁺）摻雜的基質(zhì)材料，與摻釹（Nd³⁺）材料相比，摻Yb³⁺材料具有更長的上能級壽命（1到2ms）、更小的量子虧損和相近的發(fā)射波長。此外，Yb³⁺離子的吸收帶在915~980nm的波長范圍間，使用激光二極管作為泵浦源，總的電光轉換效率高達70％。

到目前為止，Yb：YAG一直是最重要和開發(fā)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(jīng)在半導體泵浦飛秒激光器和放大器方面引起了業(yè)界的極大興趣。這些晶態(tài)材料已被證明在熱導率方面可與氧化物晶體和玻璃相競爭。由于可以制備大的單晶和陶瓷材料，使得這些材料適用于高能量和高功率激光運行。另外，Yb³⁺：CaF₂對 940nm和980nm兩個波長泵浦都適用，而不需要泵浦二極管的先進波長穩(wěn)定技術（見圖1）。

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

摻Yb³⁺增益介質(zhì)的光譜特性導致吸收和發(fā)射的高飽和通量。Yb³⁺的準三能級系統(tǒng)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系統(tǒng)的需求。

用于泵浦的高功率半導體激光器巴條

一些現(xiàn)有的方案表明，半導體激光器模塊的成本在系統(tǒng)成本中占據(jù)了很大部分。根據(jù)集成度的不同，其所占比例可能會超過50％。

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

隨著半導體激光器安裝技術的最新發(fā)展，以及前端面鍍膜技術的改進，高功率半導體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系數(shù)相匹配，夾層式硬焊料半導體激光器巴巴條裝配方式已成為可能，再加上通過陶瓷-銅基片的背面?zhèn)鲗Ю鋮s，每個巴巴條的峰值功率可以達到300W，甚至更高（見圖2）。單個巴巴條的峰值功率有望在不久的將來達到500W。

設備的傳導冷卻優(yōu)于使用直接水冷式熱沉，因為水冷需要使用許多O型密封圈，這會存在潛在的漏水風險。此外在維護方面，傳導冷卻激光二極管模塊更容易更換。

為了滿足亮度要求，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(yè)界的努力，正在促使單個巴巴條的峰值功率向更高的水平發(fā)展（潛在的峰值功率高達1kW），只是由于高驅動電流仍然限制了產(chǎn)品的實用化。芯片效率以及前端面耐久性的改善將有助于實現(xiàn)這些目標。

帶有多個激活層的垂直堆疊（納米棧）的二極管設計可以降低驅動電流，減少對電觸點的限制。但受到熱的限制，脈寬只能達到約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，這將降低半導體激光器的亮度，并限制作為激光器泵浦源的應用。

泵浦引擎

高功率半導體激光器巴條可堆棧成模塊（如八個巴條組成的堆棧），并且可以在一個平面幾何區(qū)域內(nèi)互相緊貼著放置。在亮度方面，考慮到FAC透鏡的空間限制和熱傳導的需求，每兩個巴條之間的最小間距需為1.5~2.0mm。驅動電流從背面提供，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1%（脈沖寬度1ms，重復頻率10Hz）、波長為940nm或980nm的2.4kW和3.2kW的模塊。

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

為了集中多個堆棧組成的泵浦模塊的發(fā)射激光（例如用于泵浦Yb³⁺激光器時，激光二極管堆棧在截面內(nèi)的功率密度需達到2kW/cm²），需要聚焦光學系統(tǒng)和光束均勻化。通過光束合束可以提高半導體堆棧發(fā)射面的亮度。此外，還可采用空間和偏振復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(jīng)開發(fā)出了此類集成半導體激光器模塊，占空比高達3%，峰值功率大于18kW，并且輸出為二次超平頂、低波紋光束，適合作為激光器泵浦源。另外還可以滿足更小的模塊、定制的光束尺寸以及從微秒到毫秒范圍的脈寬等需求。幾個半導體模塊和驅動電路、制冷、監(jiān)控和互鎖系統(tǒng)的組合，被稱作泵浦引擎；這樣的泵浦引擎易于集成到用戶的裝置內(nèi)。在未來的大口徑系統(tǒng)中，模塊的尺寸應當進行優(yōu)化，以達到緊湊又便于操作的目的。

即將出現(xiàn)的大型半導體泵浦固體激光器

兩項具有挑戰(zhàn)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，重復頻率范圍為10Hz~1kHz的半導體泵浦千焦級激光器將用于以下幾個方面：強激光的一次光源，直接激光驅動熱密等離子體，或產(chǎn)生加速粒子。

Yb³⁺：CaF₂ 晶體已被確認為是能實現(xiàn)二極管有效泵浦的一種非常具有發(fā)展前景的激活激光材料。峰值功率超過300W的準連續(xù)半導體巴條可用作泵浦源。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，還需要將半導體激光器、光束整形和合束器、驅動電路、互鎖系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和泵浦光均勻化系統(tǒng)緊密地封裝在一起。