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周寿桓明确应用解决固体激光技术难题

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来源: 作者: 2018-10-28 12:13:11

周寿桓:明确应用 解决固体激光技术难题

导读:

周寿桓:中国工程院院士,研究员,博士生导师;信息产业部电子科技委常委;国家激光标委会副主任;中国电子学会常务理事、光电子分会秘书长;国防科技创新团队带头人。

周寿桓:中国工程院院士,研究员,博士生导师;信息产业部电子科技委常委;国家激光标委会副主任;中国电子学会常务理事、光电子分会秘书长;国防科技创新团队带头人。   1962年中国科学技术大学物理系毕业,同年,国防科委10院11所(现中电科技集团第11研究所)任技术员,1987年任研究员。1994年8月-1996年12月美国纽约市立大学高级访问学者。  1964年起从事固体激光工程及应用研究,主攻:全固态、高光束质量、高平均功率、非线性频率变换等。共获国家发明二等奖1次;国家科技进步二等奖1次,三等奖2次;部级一等奖4次,二等奖7次,三等奖5次;专利13项;发表论文60多篇。  1962年中国电子学会成立,刚好,我在这年大学毕业参加工作,正式成为电子行业的一员。此后,学会始终是我们的“家”。在学会的组织,前辈的关怀、教导下,我们慢慢成长。在此学会成立45周年之际,愿以拙文庆贺。  赶上美国同类研究  在钱老的建议下,11所开始筹建固体激光实验室。1964年底,研制成功一台实验用红宝石激光器。由于我所的特点,激光器出光的同时,立即想到如何应用。尽管当时研究室刚开始筹建,当时在国内外激光都还完全是一个“新生事物”,连个准确、统一的称呼都没有(“激光”这个词是在几年后经钱老提议才确定的)。经过大量调研,客观分析激光的特点、发展前景、可能应用场合等,梅遂生同志提出以“光雷达为纲”的建室方针,并以导弹靶场外弹道测量为突破口。围绕这一总体目标开展了高重复频率高光束质量固体激光器、高重复频率脉冲氙灯、Nd:YAG晶体、精密测距计数器、高灵敏激光接收机、弹载合作目标、优质光学薄膜、精密光机设计加工与装调等一系列研究工作。而且,一开始就把实验室研究与外场试验紧密结合起来。用研制的设备支持外场试验,用外场试验暴露的问题和取得的经验指导设备的研制,二者相互促进。在国内外都没有成功报道和可供借鉴资料的情况下,经过短短5年的艰苦奋斗,终于取得重大突破,为我国靶场测量增添了一种崭新的手段。  根据后来美国发表的消息,上述工作与美国的同类研究几乎是同时进行的,但某些方面还略胜一筹。随后,这项技术取得显著成绩,与兄弟单位一起,于1985年获国家科技进步特等奖。  提出以“光雷达为纲”的建室方针,在当时到处以“阶级斗争为纲”的情况下需要多大的睿智和勇气啊!有了明确的目标,就能团结大家艰苦奋斗、刻苦钻研,其结果不仅获得了一大批科研成果,使当时看来几乎是梦想的目标变为现实。而且发展了一批拳头产品,培养了一批与应用要求配套、技术精良、作风过硬的工程技术人员,形成了独具特色的11所科研团队。这才使得我所在今天激烈竞争的环境中能占有一席之地,并有可能向更高的目标前进。  激光器有害热效应需解决  对固体激光器来说,泵浦源提供工作介质产生激光所必须的能量,同时伴随产生大量的无用热。为使激光器持续稳定运转,必须及时带走这些无用热。于是导致热透镜、应力、退偏、双折射等不良效应,这些效应使激光光束质量、输出功率下降,甚至造成工作介质破坏。  为实现我们的奋斗目标,一个重大难关是在脉冲峰值功率数十兆瓦时,激光器高重复频率工作(起码要高于10赫兹),当时红宝石激光器只能在低于1赫兹下单脉冲工作。因为上世纪60年代中,可供使用的固体激光介质是红宝石晶体,它属三能级系统,阈值高,所需泵浦能量很高,在晶体中产生大量无用热。而且,当时泵浦源(氙灯)本身就不能在如此高的输出能量下高重复频率工作。一开始我们就必须与伴随激光而产生的有害热效应进行不懈的斗争。这是一个已经取得了重大成果,但又没有完全解决的棘手问题。归纳起来,进行了三方面的工作:  1、尽可能减少进入工作介质的无用热,应该说这是最根本的办法。  2、如果不能完全阻止在工作介质中造成无用热,那么如何用最有效、不良影响最小的方法导出无用热。  3、最后,上述措施都未能避免的有害热影响将造成激光光束质量、输出功率下降,甚至工作介质破坏,如何减少、补偿这些不良影响就是需要解决的问题。  消除无用热三大手段  1、减少甚至消除进入工作介质的热。  低阈值、高效率工作介质。  Nd:YAG晶体的研制成功是一大进展,它属四能级系统,物化性能都很优越,相同激光输出功率下,所需泵浦功率远低于红宝石激光器,大大降低了无用热。我所1965年开始研制,上世纪70年代初生长出可用的晶体。迄今,综合性能仍然是最好的一种固体激光介质。  掺杂滤光液。  在工作介质的冷却液中掺入可吸收红外辐射,而透过有用的泵浦辐射的杂质。可惜由于红外辐射 光谱太宽,一直没有发现满意的这类掺杂物质,要么作用不大,要么大量吸收有用泵浦辐射,而且还造成聚光腔的污染,因此近年来已基本上不再继续采用这种方法。  吸热玻璃套。  在工作介质或泵灯的周围套一个掺杂的玻璃管,利用掺杂的玻璃把工作介质和泵灯隔开。与滤光液一样,消除红外热效果不大,但消除紫外效果明显,而且不会造成污染,因此目前有的地方还在采用。  也可以换成镀介质膜的玻璃管,要求所镀的介质膜对泵浦光高透,对红外辐射高反。由于镀膜费用较高,又没有如此宽带的红外高反膜,因此费用不低,效果不显著,也很少采用了。  介质膜聚光腔。  只有一部分泵浦光是直接照射到工作介质,而其他的,以及进入工作介质而没用被吸收的泵浦光,要通过聚光腔的一次或多次反射后被工作介质吸收,因此在聚光腔上镀反射泵浦光、透射红外光的介质膜有利于消除进入工作介质中的无用热。但介质膜的透射谱远不能包含泵灯的全部红外辐射,另外介质膜的反射、透射特性只对应在一个小的入射角内。随入射角增大,对泵浦光的反射、透射率也随之下降,其结果是影响泵浦效率。因此,目前很少采用了。  钾铷灯。  钾-铷灯的辐射谱可以与Nd:YAG的一个吸收带匹配,因此应该能明显降低红外辐射热而被寄予很大希望。但最大的困难是碱金属蒸汽对灯管壁的严重腐蚀,即便采用白宝石也不能幸免,因此没有得到实际应用。  LD泵浦。  这是迄今减少进入固体激光器无用热最有成效的一种方法。由于光谱匹配,用 半导体激光二极管(LD-laser diode)代替闪光灯泵浦固体激光介质,大大降低了无用热,可以获得很高的光束质量。LD的寿命、效率都远远超过泵灯,激光器整体效率显著提高,整机寿命、可靠性提高。相对于传统灯泵浦的固体激光器而言,LD泵浦的固体激光器(DPSSL-diode pumped solid-state laser)中的元部件都是“固态的”,因此又称为全固态激光器。  随着LD阵列输出功率的增加、光束质量的改善,有的应用场合已经可以直接采用LD,不必通过泵浦固体工作介质这一中间环节,效率大大提高,废热显著降低,因而将成为DPSSL最大的潜在竞争者。由于习惯上半导体激光器不属于固体激光器,因此本文不涉及。LD泵浦大大减轻了无用热,但并没有完全消除。如果能够完全消除无用热,那么固体激光器的光束质量和输出平均功率将有极大的提高,可惜,迄今还没有找到这样的方法。  低热泵浦。  从Nd:YAG特性可以看出,即便泵浦光与吸收带完全匹配,由于量子缺陷,工作介质中仍然要产生无用热。于是发展了直接泵浦(把基态粒子直接泵浦到激光上能级3,而不通过能级4)、热助推(把基态上热激励的斯托克斯能级上的粒子直接泵浦到激光上能级3)、辐射平衡等方法和设想;采用准三能级系统可以降低量子缺陷,但对泵浦功率密度、均匀性等有很高的要求;非线性效应(例如光参量放大)不是基于能级跃迁,可以避免量子缺陷带来的无用热等。  2、对工作介质进行有效散热。  为使激光器持续稳定运转,必须及时、有效卮弑闷衷诠ぷ鹘橹手性斐傻奈抻萌龋被褂Ω镁×Ρ苊庥捎谏⑷仍斐晒ぷ鹘橹手械娜然洌贾氯韧妇怠⒂αΑ⑼似⑺凵涞却佣跋旒す夤馐柿俊!坝行⑷取笔侵父咝省ⅰ凹词薄币瞥龉ぷ鹘橹手械奈抻萌龋⒃诠ぷ鹘橹手性斐勺钚〉牟涣加跋臁?/FONT  对工作介质散热可采用气体、液体、混合液、高速湍流、热管、传导冷却、微通道冷却结构等。尽管用这些方法已能满足很多应用需要,但有效散热仍然是当前超高平均功率激光发展的一大障碍,亟待技术上有创新性的突破。  3、减小、补偿热影响。  减少、补偿无用热造成不利影响的方法很多,涉及面很宽,取得了大量丰硕的成果,目前仍在不断发展中,举例如下:  *使热流与激光方向一致,热畸变对激光光束质量的影响减小;  *合理设计工作介质的几何形状,以利于有效散热,例如采用园棒、管状、板条、盘片、光纤等;  *采用受激布里渊散射(SBS-stimulated Brillouin scattering)相位共轭镜、变形镜等校正光束畸变;  *采用退偏补偿、损耗再利用等提高输出功率;  *减小热梯度,例如合理设计掺杂浓度,泵浦强度和分布等。掺杂浓度太高、泵浦结构设计不合理等将造成泵浦不均匀,介质中的热分布也不均匀,畸变大。  上面描述的各项技术是在克服固体激光器中有害热所发展起来的,其中有的已被更有效、更先进的技术所取代,有的至今仍在使用,而且不断有新的进展。  回顾四十几年来我所走过的这一段艰苦创业之路,我们体会到研究工作一定要有长远的、明确的应用方向。为了满足应用和可持续发展,又必须坚持深入、系统地开展基础研究。

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