主题：【原创】侃侃半导体激光器（一） -- imres

约40年前，当人类制造出第一台激光器——红宝石激光器，就引起了军方的极大关注，从那时起，人们就开始不断探索激光器的军事应用。六十年代，开始研制激光制导炸弹并通过鉴定、证明了激光雷达的可实现性并为激光雷达的发展打下初步基础；七十年代，YAG激光器成功地用于激光靶场测量，在此基础上发展成为高精度激光空间测量设备、激光测距机/指示器，激光半主动制导武器逐步装备；CO2激光雷达的一些关键器件取得进展，远程高精度外差CO2激光雷达取得阶段性成果。

　　美国国防部一官员在八十年代初撰文所说：“激光研究，特别是中小功率激光研究，是国防部近十年来最成功的投资项目之一，……军队的战斗力已靠它提高了一个数量级”。

　　八十年代以来，各种作战飞机、主战坦克和舰艇等武器平台装备现代化任务提到日程上来，迫切需要各种光电装备，以提高武器系统的作战效能。激光技术用于战术攻击机近空支持火控系统、武装直升机导航、火控和防撞系统、坦克交战系统和巡航导弹制导系统等。相干激光雷达在工程化技术方面取得重要突破。

　　九十年代，高技术局部战争成为战争的主要模式。海湾战争等高技术局部战争证明，光电武器装备对战术武器性能起到决定性作用。正在此时，二级管泵浦固体激光器(DPSSL)以其结构紧凑、可靠性高、高效率、高光束质量、高峰值功率、寿命长等优越的特性脱颖而出，在前视/下视成像目标识别雷达、激光主动制导、火控、激光雷达探测化学战剂、探测水下目标、探测地雷、探测风场切变、直升机避障、激光卫星间通信、对潜通信、激光武器等研制和验证中显示出巨大的优越性而独领风骚。

2　军用固体激光器技术发展现状

　　在二极管泵浦固体激光器出现之前，军用固体激光器主要是闪光灯泵浦的Nd∶YAG激光器，它用于测距、制导、激光干扰，并有一些相干探测的探索性研究。具有代表性的高功率、Q开关固体激光器是1995年俄罗斯圣彼得堡激光物理研究所采用相位共轭技术，闪灯泵浦电光Q开关Nd∶YAG激光器，重复频率100Hz时每脉冲输出激光能量1J，光束质量3.4倍衍射限。

　　DPSSL的总体效率至少要比灯泵浦高10倍，可在10%左右。这使所产生的废热降低到1/10，由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率。DPSSL的系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦的系统的100倍。

　　随着高亮度泵浦源、高增益的激光介质、具有大非线性常数的晶体的发展，出现了结构更加紧凑、体积更小、输出功率更高、光束质量更好、波长范围覆盖从紫外到红外的小型/微型DPSSL。它们的发展呈现齐头并进、全面开花的局面：多种激光材料、多波长、多种结构同时发展。由于体积的减小和性能的提高，不断取代旧的和开辟新的军事应用领域，那些几年前被其它激光器统治的应用，如激光相干探测雷达，如今已受到DPSSL全面挑战；那些几年前由大型固体激光器才能胜任的应用，如激光测距、激光致盲、激光雷达，如今小型的、甚至微型的全固态激光器将会高质量地完成任务。

2.1　多种激光材料

　　有多种激光材料可用二极管泵浦，它们的吸收谱分别与各种激光二极管的峰值发射波长很好地匹配，除了传统的激光介质YAG、YLF外，还有高增益的YVO4，可调谐的Ti∶Al2O3、Cr∶LiSAF、Cr∶LiCAF、Cr∶LiSGAF等，激活离子除传统的Nd离子外，还有Yb、Er、Tm、Ho离子、可调谐的Cr、Ti等多种离子。

2.2　多波长

　　不同的应用需求牵引人们去探索输出不同波长的激光器件。除探索多种激光晶体外，实现多波长的另外手段是采用可调谐激光器。从八十年代中期发展起来的新型可调谐激光晶体，再加上非线性晶体的发展，DPSSL的输出波长可覆盖从紫外到中红外的广大的光谱范围。目前输出的3～5μm波长范围的激光器，在红外对抗上有明确的应用需求，而光学参量振荡器(OPO)是最有希望的候选者。

周期性极化非线性晶体是人工调制相位匹配的新型非线性材料，它可选用的有效非线性率比普通非线性材料大20倍，通过调节温度或移动具有多种畴长度的晶体便可进行输出波长的调谐。美国Light Solution的研究人员研制的采用周期性极化铌酸锂(PPLN)的腔内OPO，输出波长1.5～5.0μm，功率达6W。美国TRW公司的“三军通用中红外II型激光器”，是二极管泵浦Nd∶YAG激光器，使用光学谐振腔组来实现中红外波长(3.7～4.9μm)输出，输出功率20W，脉冲重复频率20千赫，光束质量极好。

　　1996年美国LaSen公司在单块Nd∶MgO∶LiNbO3非线性晶体上首次实现了二极管泵浦光学参量振荡激光器(OPOL)，制成AN/GVS-5手持式激光测距机。

　　美国Stanford大学Edward L.Ginzton实验室研制的高效自种籽注入脉冲掺钛蓝宝石激光器，采用倍频1.06μmNd∶YAG激光器泵浦，5ns近衍射极限的单纵模输出，每脉冲能量10mJ，斜率效率40%。

　　美国Lawrence Livermore国家实验室采用按比例放大二极管端面泵浦技术、偏离激活离子主吸收峰的侧翼泵浦技术、在掺杂的激光棒两端各带有一小段非掺杂的“端帽”技术研制成连续波输出51W的高功率2μm二极管泵浦Tm∶YAG激光器。俄罗斯研制出YSGG∶Cr、Yb、Ho激光晶体，其激光波长在2.84～3.05μm之间连续可调，可获得15～20mJ脉冲激光输出。

2.3　向大功率化发展

　　DPSSL可能成为单脉冲输出最大能量的激光器，美国、法国和日本等国家正设计新一代巨型激光器热核聚变固体激光驱动器，这种激光器将产生每脉冲兆焦耳输出。目前已进行小型原理性实验并开拓成果的应用。美国采用的是二极管泵浦Yb∶Sr5(PO4)3F(简写为Yb∶S-FAP)激光器，预计2000财年达到每脉冲输出能量100J、重复频率10Hz、脉冲宽度1～10ns，总效率达10%、经放大每脉冲输出能量高于1kJ水平。

　　自从1991年出现二极管阵列泵浦千瓦级激光器以来，短脉冲二极管泵浦固体激光器的亮度和平均功率提高了一个数量级。目前DPSSL在1.06μm处脉冲能量高达每脉冲10J，光束质量为1.25倍衍射限，重复频率33Hz。

2.4　向小型/微型化发展

　　由于二极管泵浦与传统的闪光灯泵浦特性有很大差别，耦合方式有直接耦合、光纤耦合、微透镜及透镜通道耦合、微透镜光学系统耦合等；二极管泵浦的固体激光器，往往激光介质本身还同时充当调制器件或非线性器件等其它功能，或者调制器件、非线性器件与激光介质紧贴在一起并完成腔的某个元件的功能。这样，腔的结构简单、可靠、多功能、小型/微型的器件可输出高功率；另一方面，二极管泵浦波长可与激光模式很好地匹配、小型/微型结构具有固有的单模、单频特性、频率稳定性高，振幅噪声低，它们成为许多传感测量应用的理想光源。例如德国航空航天研究院技术物理所的研究人员构思了一种数百瓦的DPSSL新概念：采用非常薄的Yb∶YAG薄片，腔结构设计使热梯度与激光束共线、泵浦光在晶体中多次经过、采用光纤耦合泵浦。构思了这种薄片激光器按比例功率放大概念，可获得光束质量近衍射限的、高效率的、上百瓦的可调谐输出。

　　作为固体激光器中的一员，光纤激光器的快速发展引人注目。光纤激光器的应用正在从传统的光通信向光雷达等应用领域扩展。包层泵浦技术显著地提高了端面泵浦效率。据CLEO’97会议报导，采用包层泵浦技术获得35W的连续波输出，不久将获得100W的连续波输出。将增益介质包围在单模纤芯之外，使增益介质位于模式场分布的尾部，增大能量存储容量。

Southampton大学采用Yb环形掺杂光纤做高能量脉冲放大器，该技术与光纤包层泵浦技术相结合，预计可获得1mJ的脉冲能量。最近光纤元件的发展有力地推动了高峰值功率脉冲的产生。反射光栅可在光纤芯中制成，这样的布拉格光栅可具有大的色散性，适用于展宽和再压缩超短脉冲。有了这些元件，小型的、以光纤为基础的线性调频脉冲放大方案成为可行。利用这种方式，单模掺铒光纤放大器获得了超过10MW、600fs的脉冲。