收稿日期:2004-09-20；收到修改稿日期:2005-10-28作者简介:姜本学（1980-），男，山东青州人，博士研究生，主要从事高平均功率激光晶体生长、光谱和激光性能的研究。

E-mail:jiangbx@摘要介绍了能够实现高平均功率的两种固体激光器：固体薄片激光器和固体热容激光器。

给出了它们的工作原理和理论上的工作参数。

综述了固体薄片激光器和固体热容激光器的研究历史和现状，指出了高平均功率固体激光器未来的发展方向。

关键词固体薄片激光器；固体热容激光器；高平均功率固体激光器中图分类号：TN248Thin Disk Solid State Lasers and Heat Capacity Solid State LasersJIANG Benxue 1,2ZHAO Zhiwei 1ZHAO Guangjun 1XU Jun 11Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,The Chinese Academy of Sciences,Shanghai 2018002Graduate School of the Chinese Academy of Science,Beijing 100200()Abstract The working principles and the working parameters calculated theoretically of two types of solid statelasers,thin disk lasers and heat capacity lasers,which can realize high average power,are introduced.Their research history and the present status are described,the adoption of Nb:YAG,Nd:GGG,and Nd:YAG crystals in the solid state lasers are summarized,and the prospect and the development trends of high average power solid state lasers are pre 原sented.Key wordsthin disk solid state laser;heat capacity laser;high average power solid state laser固体薄片激光器和固体热容激光器姜本学1,2赵志伟1赵广军1徐军11中国科学院上海光学精密机械研究所，上海2018002中国科学院研究生院，北京100200()1引言高平均功率(HAP)输出的固体激光器(SSL)在工业、科学和军事等领域都有着非常诱人的应用前景[1~4]。

设计高功率固体激光器的主要的困难有两个[5]：对抽运过程中无法避免的废热进行处理以及消除由于将废热去除而导致的后果。

在激光工作过程中如果不对增益介质冷却，就会导致其温度升高，使得增益系数降低，最终导致不能工作。

对增益介质冷却就会引起热透镜、机械应力及其它许多问题的产生，进而可能使激光光束质量下降、降低激光输出功率、甚至可能导致固体激光增益介质的破裂。

针对高功率固体激光器上述两个发展瓶颈，解决的方法有两个：一是由于产生废热是不可避免的，所以要尽量消除由于消除废热而引起的后果。

必须要减少热量和热流密度，减小热流的传导路程和对激光场的影响[6~19]。

几年来，关于这方面的研究有很多的设计模型，比较理想的模型是盘片激光器。

二是在激光工作过程中不对增益介质冷却，即固体热容激光器。

这样就要求选择增益介质的热容和密度要尽可能的大，从而在相同的激光输出的情况下，增益介质的温度升高尽量小[20~32]。

Yb 掺杂离子体系和Nd 掺杂离子体系的发展为高功率固体激光器的研究提供了好的方向[5,6]。

由于Yb 离子的量子缺陷比Nd 离子低的多，大约仅为1/3，这在很大的程度上降低了废热的产生。

但是由于Yb 离子是准三能级结构，激光下能级低，所以受温度影响大，抽运阈值高。

本文重点介绍Yb 掺杂离子体系和Nd 掺杂离子体系的盘片激光器和固体热容激光器的研究。

2盘片激光器的研究2.1盘片激光器的概念盘片激光是从一个大面上将热量导走，并且热流的距离非常短，即使用大的抽运能量也不会在盘片产生大的温度梯度。

如果盘片的直径远大于厚度，则热流可以看作是沿一维方向且平行于激光方向，这样就会大大地降低热机械效应[4,5]。

由于盘片激光器中增益介质的厚度非常小(如微片激光器中Yb:YAG 的厚度仅为0.25m m)，所以必须让抽运光在增益介质中多次穿过以被完全吸收。

斯图加特大学的设计模型如图1所示[8,9]，抽运光在增益介质中的来回次数高达16次。

盘片激光器向高功率发展的瓶颈有两个：热机械变形和放大自发辐射(ASE)[5~7]。

热机械变形主要是由于淀积在增益介质里的废热引起的。

去除废热就会引起热透镜、机械应力及其它许多问题，进而可能使激光光束质量下降、降低激光输出功率、甚至可能导致固体激光增益介质的破裂。

ASE 是由于盘片长轴方向发生寄生振荡引起的激光输出能量降低。

2.2盘片激光器中能量提取率根据盘片的热应力极限，可以计算出当激光输出为连续或者准连续时可提取功率为[7,18]P avail,avg,max =(p /4)(3b h u I sat y df d 3f -1h B -1)1/2(1)其中是热应力参数，b 为应力因子(设计的张应力与断裂应力的比值)，一般取0.25和0.5。

h u 为增益介质的上能级效率(Stokes 和量子效率的乘积)，I sat 为激光饱和强度，y d 为抽运占空比，f 为ASE 参数，主要取决于工作模式(储能模式f ~2.5，连续或准连续f ~3.5)，d 为盘片的直径，f h 为热分数(单位抽运能量产生的热能)，对于四能级离子B =1，准三能级B =f a +f b 。

从中我们可以看出，最大可提取能量与盘片直径的1.5次方成正比。

用N =4，d =5cm ，L =0.25cm ，计算出的Pavail ，avg ，max 列入表1中[7]。

从表1可以看出，在相同的抽运条件下，以相同的晶体尺寸，Nd:YAG 晶体的输出功率比Nd:GGG 晶体大约高1/3。

但是由于用传统的提拉法无法生长出大尺寸高质量Nd:YAG 晶体(由于中间有核心)，而Nd:GGG 晶体可以在平界面下生长出大尺寸高质量晶体，所以现实中高功率激光晶体更倾向于选用Nd:GGG 晶体。

而用新的工艺生长出无核心的Nd:YAG 晶体(例如：上海光机所利用温度梯度法生长晶体)将是一个重要的研究方向。

盘片激光的传播方向沿片的短轴方向，增益达到一定水平时，长轴方向的寄生振荡往往会耗尽晶体片中的能量，严重影响激光输出。

因此控制寄生振荡是研制高功率片状器件的核心问题之一。

片中产生寄生振荡条件是：R exp[n (g 0-r )l ]≥1(2)其中R =n -1n +1()2，所以，g 0-r ≥2lnn +1n -1()nl(3)小信号增益系数g 0=P h CO h a h q h s /(VI s )(4)其中，P 为峰值抽运功率，V 为有效抽运体积，I s 为饱和强度，对Nd:YAG 等于3000W/cm 2。

所以，在假定没有损耗的情况下，最大抽运功率P 的极限值为P ≤2VI s lnn -1n +1()nl h CO h a h q h s(5)控制寄生振荡的方法是对激光增益介质包边或者镀增透膜。

在大型的盘片激光放大介质中，包边技术变得尤为重要。

在过去的二十年里，这项技术已经得到了很大的发展。

主要的方法是在Nd:YAG ，Nd:GGG 或者Yb:YAG 等盘片周围胶合掺Cr 4+或Co 2+离子的同质晶体。

2.4抽运方式2.4.1端面抽运图2至图5为紧凑型有源镜激光器(CAMIL)抽运方式[7]。

美国波音公司正在研究一种基于AMA 概念的盘片激光，称作紧凑型有源图1微片激光器抽运方式表1Nd:YAG 和Nd:GGG 晶体P avail,avg,max 的理论计算值镜激光器(compact active mirrorlaser ，简称CAMIL)。

薄片的厚度约为2.5mm ，直径50~150mm 。

端面抽运可以有如图2和图3所示的从后端面和前端面两种抽运方式。

两种盘片端面都镀了双色性膜：(1)前端面为激光波长全透，抽运波长全反或者全透，由抽运方式决定；(2)后端面镀相反的膜。

端面抽运对材料的要求是激活离子对抽运光的吸收系数必须很大。

适合于端面抽运的盘片材料有Nd:YAG,Nd:GGG,Nd:glass 和Yb:FAP 。

而Yb:YAG 和Yb:GGG 等就不适合端面抽运。

2.4.2侧面抽运在端面抽运不适合时，侧面抽运就变得非常具有吸引力。

侧面抽运的优点是具有长的吸收路径，从而使得离子的掺杂浓度可以较低。

适合于端面抽运的盘片材料有885nm 抽运条件下的Nd 离子和Yb:YAG ，Yb:GGG 等。

但是侧抽运也面临着许多挑战：(1)将抽运光导入盘片周围相对非常小的区域；(2)防止抽运光注入区的过热现象；(3)如何使得整个盘片的激光增益一致；(4)消除由于ASE 和寄生振荡引起的激光增益的降低。

2.5盘片激光的研究进展过去十年里，斯图加特大学用微片激光的概念，使得二极管抽运的固体激光器的激光输出得到了很大的发展[8,9]。

利用224m m 厚，9%掺杂的Yb:YAG 晶体获得了647W ，光转换效率为51%，最近他们又获得了2kW 的激光。

德国的Rofin-Sinar 公司已经研制出二极管抽运的Yb:YAG 盘片晶体获得了4.4kW 的激光输出；用二极管抽运的Nd:YAG 晶体棒获得了6kW 的激光输出。

2000年，日本的MITI Project [12]宣称他们已经用棒状和盘片状Nd:YAG 分别获得了平均3.3kW ，峰值为13kW 的激光输出。

Boeing 公司[6,7,17,18]致力于CAMIL 技术发展，考虑用Nd:YAG 、Nd:GGG 、Nd:Glass 、Yb:S -FAP 等激光增益介质作成结构紧凑的激光放大器和激光振荡器。

CAMIL 技术的一个主要优点：可以获得较宽范围的激光平均功率值，提升功率可以通过图2后端面抽运的CAMIL 模块图3前端面抽运的CAMIL 模块图4侧面抽运的CAMIL模块增加口径尺寸或增加激光振荡器中的模块数量。

Trumpf (Plymouth ，MI)产生LD 抽运1kW 连续波的薄片激光器，谐振腔中由两个薄片组成,光束质量6·mm ·mrad ，输出可以耦合到直径为150m m 的光纤中去;目前Trumpf 最新的薄片激光器包含四个薄片，独立抽运，输出为4kW ，光束质量7·mm ·mrad ，输出可以耦合到直径为200m m 的光纤中去，发射波长1030nm 。