袁明星， 周天元*， 周 偉， 李延彬， 侯 晨， 郗曉倩， 單迎雙， 馬躍龍,3， 張 樂， 陳 浩*

(1. 江蘇師范大學 物理與電子工程學院， 江蘇省先進激光材料與器件重點實驗室， 江蘇 徐州 221116；2. 江蘇錫沂高新材料產業(yè)技術研究院， 江蘇 徐州 221400； 3. 江蘇大學 機械工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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[1]。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，且結構簡單，可靠性好，在激光應用領域一直處于主導地位。固體激光器由泵浦源、增益介質和諧振腔組成，其中，泵浦源能夠對激光工作物質進行激勵并實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，而激光二極管(LD)泵浦具有光轉換效率高、光束質量好等優(yōu)勢，是目前最常用的固體激光泵浦方式。然而，LD泵浦以其窄帶光輸出特性，對材料的波長選擇性具有較高要求；且LD泵浦能耗高、價格昂貴、使用壽命短，極大地制約了其實際應用。

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[2]。根據美國NASA Langley研究中心的報告，太陽光泵浦激光器將是未來空天對抗的首選，因此在軍事方面，太陽光泵浦激光器將是是空天激光武器的主要發(fā)展方向[3-4]。在能源利用方面，太陽光泵浦固體激光器能夠通過衛(wèi)星或空間站向地球輸送能量，實現(xiàn)能源綠色化，充分切合了備受人類關注的可持續(xù)發(fā)展重大戰(zhàn)略需求，成為當今太陽能技術發(fā)展的熱點之一[5-6]。此外，太陽光泵浦固體激光器在空間及海洋探測、通信傳感等重要領域均有重大潛在應用[7]?？梢姡罅Πl(fā)展太陽光泵浦固體激光器能夠充分滿足固體激光技術戰(zhàn)略發(fā)展需求，意義十分重大。

兼具對太陽光的高吸收量和高轉換率，是太陽光直接泵浦固體激光器實現(xiàn)高質量激光輸出的前提。在太陽光吸收量方面，由于太陽光50%的能量都集中在可見光波段(0.4～0.76 μm)，激光工作物質只有充分吸收可見光能量，才能夠達到足夠的粒子數(shù)反轉實現(xiàn)光輸出。然而，太陽光的光密度遠低于LD泵浦光密度，因此太陽光泵浦固體激光器只有獲得對太陽光的高效匯聚，才能夠滿足上述要求[8]。

在太陽光轉化率方面，目前最成熟的光轉化方案是通過太陽能電池將太陽能轉化成電能，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，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[9]。相反，若采用太陽光直接泵浦增益介質的方式實現(xiàn)光-光直接轉化，必將有效克服上述缺陷，在大幅提升光轉化效率的同時，促進激光系統(tǒng)的集成化，降低成本。

基于以上闡述，本文從太陽光收集光學系統(tǒng)、增益介質、泵浦系統(tǒng)設計三個方面，回顧了太陽光直接泵浦固體激光器的國內外研究進展，總結并展望了該研究的發(fā)展瓶頸和趨勢。

2 太陽光直接泵浦固體激光器的陽光收集光學系統(tǒng)

陽光收集光學系統(tǒng)能夠通過反射鏡或透鏡等光學元件收集并匯聚太陽光以提升其光功率密度，進而實現(xiàn)增益介質對太陽光的充分吸收。通常，陽光收集光學系統(tǒng)器件單位表面積的激光功率輸出和聚光比是評價太陽光直接泵浦固體激光器性能的重要指標。最初的陽光收集光學系統(tǒng)通常采用卡塞格林望遠鏡結構，但該系統(tǒng)體積較大，造價昂貴，且系統(tǒng)中像差的存在降低了激光輸出性能，使其發(fā)展受到限制[10-11]。隨著材料技術的發(fā)展，基于有機玻璃材質的大型菲涅爾透鏡陽光收集光學系統(tǒng)以其制造成本低，厚度薄、易于獲得大口徑等優(yōu)勢獲得了極大的關注，并被廣泛應用。

2.1 單級菲涅爾透鏡成像陽光收集光學系統(tǒng)

單級菲涅爾透鏡成像陽光收集光學系統(tǒng)是指僅采用單片菲涅爾透鏡作為太陽光收集媒介，并以光收集效率作為其性能評價指標。在收集效率提升方面，東京工業(yè)大學Yabe等提出使用1 m×1.5 m的菲涅爾透鏡作為陽光收集系統(tǒng)泵浦Cr,Nd∶YAG陶瓷，當收集的光功率為22 W時觀察到微弱的激光輸出[12]。在此基礎上，Yabe等[13]采用兩片菲涅爾透鏡實現(xiàn)了振蕩器和放大器的雙泵浦作用，將收集效率提高至18.7 W/m2，且輸出功率達到22.4 W，但由于采用商用菲涅爾透鏡，導致收集效率仍不理想。在對菲涅爾透鏡的色散問題評估以及對反射和吸收光線數(shù)值模擬基礎上，通過比較圖像與模擬值，進一步證實了菲涅爾透鏡作為初級陽光收集光學系統(tǒng)能夠使收集的太陽光達到理論匯聚極限。Ohkubo等[14]通過對菲涅爾透鏡的改進，即透鏡由甲基丙烯酸甲酯制成，折射率設計為1.491 7，鏡片表面無涂層，同時采用一個錐形腔作為二級聚光系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了20 W/m2的收集效率、80 W的激光輸出紀錄。進一步研究表明，采用X-Y-Z軸粗調菲涅爾透鏡方向能夠促進對太陽光的收集[15]。

我國相關研究團隊在理論上深入分析了太陽光直接泵浦固體激光器的泵浦系統(tǒng)及工作物質的效能，并取得了豐碩成果[8-9,16-18]。趙長明教授研究團隊于2009年直接利用單級菲涅爾透鏡成功獲得了激光輸出，但由于激光器受透鏡尺寸、單級收集方式及透鏡色散等因素限制，僅觀察到微弱的激光振蕩[19]。

盡管單級菲涅爾透鏡成像陽光收集光學系統(tǒng)能夠在一定程度上實現(xiàn)太陽光收集，但仍難以獲得較高的泵浦功率密度。這是因為透鏡表面的氣泡或劃痕會不可避免地造成光散射，在降低收集效率的同時，極易造成光斑尺寸與增益介質尺寸失配。相反，采用多級非成像陽光收集光學系統(tǒng)能夠有效克服上述缺陷，提高收集效率，是目前太陽光直接泵浦固體激光器陽光收集光學系統(tǒng)的研究熱點[14]。

2.2 多級非成像陽光收集光學系統(tǒng)

多級非成像陽光收集光學系統(tǒng)一般采用大口徑菲涅爾透鏡作為一級陽光收集器件，以非成像器件作為二級或者三級陽光收集器件[20-22]。其中，非成像器件本質上是一個光漏斗(聚光腔)，即采用邊緣射線法設計的非成像聚光器，其能夠進一步將收集的太陽光進行二次或三次匯聚，在實現(xiàn)太陽光功率密度本質提升的同時，避免其與增益介質的尺寸失配，進而提升光束質量。該設計是目前實現(xiàn)太陽光收集和匯聚的最佳方案。

在非成像器件設計方面，常用非成像器件為復合拋物面聚光器(Compound parabolic concentrator,CPC)，主要包括二維復合拋物聚光器(2D-CPC)和三維復合拋物面聚光器(3D-CPC)[23]。在低泵浦密度實驗中通常采用2D-CPC作為二級聚光器。以色列Weklser等[24]采用2D-CPC來提升光與介質的耦合能力，當收集太陽光的輸入功率為4 kW時，獲得超過60 W的激光輸出，斜率效率超過2%。

相對2D-CPC，3D-CPC可進一步提升對太陽光的收集效率，且將2D-CPC與3D-CPC相互結合是目前最廣泛使用的多級非成像陽光收集方案。Lando等[23]采用如圖1所示陽光收集方式，在一級收集透鏡面積為6.85 m2情況下，實現(xiàn)功率為46 W的連續(xù)激光輸出，收集效率為6.7 W/m2。同時，作者提出若采用60 m2分塊式一級透鏡設計，可將該輸出功率提升至400 W，其詳細參數(shù)如表1所示。

圖1 (a)3D-CPC與2D-CPC剖面圖;(b)2D-CPC的放大輪廓。

Krupkin等[25]設計了一種千瓦級的太陽能泵浦固體激光器，提出采用660 m2的菲涅爾透鏡作為一級陽光收集光學系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)高達0.5 kW的激光輸出。然而，該系統(tǒng)仍存在增益介質尺寸難以匹配大尺寸匯聚光斑的問題，不利于提升光轉化效率。美國Cooke等[26]采用一個拋物面鏡和一個非成像聚光器組成陽光收集光學系統(tǒng)，在太陽光入射強度為900 W/m2時，實現(xiàn)了高達72 W/mm2的收集效率。該收集效率遠高于僅采用菲涅爾透鏡成像陽光收集光學系統(tǒng)所獲得的效率，為高效太陽光收集光學系統(tǒng)的進一步優(yōu)化提供了可借鑒的方向。

表1 多級非成像收集系統(tǒng)下實現(xiàn)400 W激光輸出設計參數(shù)

在聚光腔設計方面，葡萄牙Almeida等[27-34]提出一種光波導設計，即將一根足夠長的熔融石英介質置于2D-CPC的光匯聚處，其三維視圖如圖2所示[33]。該結構設計具有良好的光耦合和聚焦能力，其均勻的光強分布對初級鏡聚焦光點的輕微位錯并不敏感，可有效實現(xiàn)誤差跟蹤補償。與傳統(tǒng)2D-CPC相比，其能夠充分避免光與介質的尺寸失配，極大地提升太陽光的收集效率，并能有效解決太陽光經二級匯聚后輸出功率減小及均勻性變差等問題。同時，該裝置較大的接觸面積極大地提升了其散熱效率，有利于實現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出。

圖2 三維視圖下的太陽能激光頭與矩形光波導

隨后，該團隊采用定日-拋物面反射鏡裝置(見圖3)，實現(xiàn)了激光系統(tǒng)的功率提升及光束質量的優(yōu)化[30]。該系統(tǒng)能夠通過調整定日鏡的角度，將太陽光定向入射到固定的拋物面鏡上，并通過反射將其匯聚成10 mm左右寬的近高斯光源，照射激光頭。該激光頭由矩形熔融石英光波導、2D-CPC和V形腔組成，其中2D-CPC和V形腔的內壁均設計了具有94%反射率的鍍銀鋁箔。太陽光經石英光波導收集并勻化后，通過2D-CPC將其轉換為小輸出孔徑發(fā)射的大角度光線，從而保持泵浦輻射的凈濃度，并通過V形腔照射晶體實現(xiàn)激光輸出。

圖3 (a)定日-拋物面反射鏡系統(tǒng)下太陽能收集和集中系統(tǒng)原理圖；(b)Nd∶YAG激光頭。

基于該設計，作者采用非對稱光學諧振腔設計，實現(xiàn)了收集效率達到2.93 W/m2、基模輸出功率為2.3 W、亮度值為1.9 W的激光輸出[28]。2016年，該團隊進一步通過對晶體棒的加工及腔型優(yōu)化，將基模輸出功率提升至4.5 W，收集效率為4 W/m2，斜效率為2.36%，該效率比使用菲涅爾透鏡和拋物面鏡作為主陽光收集光學系統(tǒng)獲得的激光輸出效率分別高3.37倍和2.91倍[34]。2018年，該團隊基于該陽光收集裝置進一步實現(xiàn)了收集效率高達32.5 W/m2的太陽光高效收集和匯聚[35]。2020年，Liang等[30]采用有效收集面積為1.0 m2的拋物面鏡，并利用非球面熔融石英透鏡將聚焦區(qū)集中的太陽光線耦合到錐形腔內，端面泵浦3個直徑3.0 mm、長25 mm的Nd∶YAG單晶棒，首次實現(xiàn)同步發(fā)射三束連續(xù)激光束的設計。實現(xiàn)了18.3 W的多模太陽光激光功率輸出，5.1%的激光斜率效率，且每束激光的亮度值達到0.036 W，是收集效率為32.5 W/m2的太陽光直接泵浦固體激光器對應激光亮度值的9倍。

我國在多級非成像陽光收集光學系統(tǒng)方面也進行了深入研究，北京理工大學設計了一種低閾值太陽光直接泵浦Nd∶YAG固體激光器，采用有效面積為1.03 m2、焦距為1.2 m的菲涅耳透鏡作為一級太陽光收集裝置，鍍金錐形腔作為二級收集裝置，實現(xiàn)了聚光腔的優(yōu)化，在太陽輻射功率密度為900 W/m2時，實現(xiàn)了475.1 mW的激光輸出[36]。同年，該校李金華等[37]設計了如圖4所示的激光器結構圖，該設計以菲涅爾透鏡作為一級陽光收集器件，液體導光透鏡和鍍金錐形腔的共同作用作為二級陽光收集器件，最終獲得了連續(xù)穩(wěn)定的1 064 nm的激光輸出，收集效率為30.58 W/m2，光轉換效率為3.2%，聚光比可達104。該研究對太陽光直接泵浦激光器的光腔結構設計具有重大指導意義。長春理工大學利用菲涅爾透鏡和錐形場鏡組成的聚光系統(tǒng)，獲得了2.8 W的連續(xù)激光輸出，但由于指標存在不足，光-光轉換效率只有0.81%[38]。

圖4 (a)太陽光泵浦激光器結構簡圖；(b)分腔水冷型鍍金錐形腔結構圖。

目前，我國在高效太陽光收集光學系統(tǒng)設計方面與國外仍然存在一定差距，激光輸出效率普遍較低，主要原因在于國內針對該研究的起步時間較晚。但就目前的趨勢來看，國內在光收集效率提升方面已與國外差距顯著縮小，有望實現(xiàn)超越。

3 太陽光直接泵浦固體激光器的激光增益介質

增益介質是固體激光器的核心，其決定激光輸出波長和光轉化效率[39]。如前所述，太陽光的能量主要集中在可見光波段，增益介質只有同時滿足對可見光的高匹配度、高吸收量和高轉化效率，才能充分提高泵浦效率，實現(xiàn)高質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尤為關鍵[40]。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。

3.1 玻璃及玻璃光纖

玻璃介質的優(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。

玻璃介質研究方面，Suzuki等[41]制備了Nd3+離子摻雜的SiO2-B2O3-Na2O-Al2O3-CaO-ZrO2(SBNACZ)玻璃，通過分析其光學吸收、熒光壽命及量子效率等特性，證實了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。但由于SBNACZ玻璃的聲子能量較高，使其在太陽光激發(fā)下近紅外發(fā)射量子效率僅為21%。隨后，Suzuki等[42]制備了Nd3+離子摻雜ZrF4-BaF2-LaF3- AlF3-NaF(ZBLAN)氟化物玻璃，將太陽光激發(fā)下的近紅外發(fā)射量子效率提升至70%。該團隊進一步研究發(fā)現(xiàn)，Nd3+摻雜氟化物玻璃的量子效率遠高于相同Nd3+摻雜濃度下的碲酸鹽玻璃及硼硅酸鹽玻璃，證實了氟化物玻璃作為太陽光直接泵浦固體激光器增益介質的極大應用潛力[43]。

Shimada等[44]系統(tǒng)研究了太陽光泵浦激光器用Nd3+摻雜的Bi2O3-B2O3-TeO2玻璃，發(fā)現(xiàn)其相對Nd∶YAG陶瓷具有更寬的能帶、更強的吸收及更長的熒光壽命。在此基礎上，Shimada等[45]通過對比發(fā)現(xiàn)，Nd3+/Yb3+共摻雜Bi2O3-B2O3-TeO2玻璃比Nd3+單摻雜Bi2O3-B2O3-TeO2玻璃具有更高的發(fā)射強度，因此更適用于作為太陽光直接泵浦激光器的增益介質。此外，Boetti等[46]研究了Eu3+/Nd3+共摻雜的磷酸鹽玻璃的光學性能，發(fā)現(xiàn)其在390 nm紫外光激發(fā)下，Eu3+與Nd3+離子之間的能量傳遞極易導致Nd3+離子的濃度依賴性猝滅，不利于提升Nd3+離子的量子效率。盡管如此，該研究為玻璃基質的摻雜離子選擇優(yōu)化提供了有效參考。

然而，玻璃介質具有熱導率低、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在高功率激光運轉過程中因溫度過高導致的轉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的缺陷，在太陽光直接泵浦固體激光器方面應用前景廣闊[47]。

在光纖基太陽光直接泵浦固體激光器研究方面，Saiki等[48]提出硅酸鹽玻璃基光纖是太陽光泵浦固體激光器最有前途的增益介質之一，并采用色溫為5 600 K的閃光燈作為泵浦源，實現(xiàn)了對Nd3+離子摻雜的D型雙包層多模光纖在準太陽光泵浦作用下的激光振蕩。當光源在光纖端面處的輸入功率為l.1 W時，成功獲得輸出功率為300 mW的激光輸出，光-光轉換效率高達27%。Iwata等[49]通過模擬Er3+離子摻雜的硅酸鹽、碲酸鹽、磷酸鹽和氟化物基光纖介質在太陽光激發(fā)下的光學性能，研究發(fā)現(xiàn)Er3+摻雜氟化物和硅酸鹽光纖具有相對碲酸鹽和磷酸鹽光纖更高的量子效率，更適用于太陽光直接泵浦固體激光器的增益介質。

通常，稀土摻雜的玻璃光纖的非輻射弛豫概率較大，降低了稀土離子的發(fā)光效率;而微晶玻璃光纖能夠有效降低該非輻射躍遷概率，成為太陽光泵浦固體激光器的優(yōu)良介質材料。方再金等[50]通過探究Ce3+/Cr3+-Yb3+共摻雜玻璃光纖和YAG微晶玻璃光纖的光譜性能，并結合理論分析證明了微晶玻璃光纖相對傳統(tǒng)玻璃光纖具有更高的太陽光轉化效率，應用前景廣闊。

綜上，采用光纖作為太陽光直接泵浦固體激光器增益介質在實現(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。

3.2 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[51]。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+離子具有四能級結構，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，能夠實現(xiàn)對太陽光的有效吸收。在相同的泵浦功率下，Nd∶YAG的激光輸出功率相對于CaWO4單晶高一個數(shù)量級。因此，Nd∶YAG單晶成為目前最常用的太陽光直接泵浦固體激光器增益介質[7]。

1966年，Young采用直徑3 mm、長度30 mm的1% Nd∶YAG單晶，首次實現(xiàn)太陽光直接泵浦固體激光輸出，但由于晶體尺寸限制、光腔設計的不完善及熱透鏡效應，使其激光輸出功率僅為1 W，光轉換效率低至0.57%[10]。隨后，研究人員針對Nd∶YAG基太陽光泵浦固體激光器激光輸出功率及效率提升方面展開了大量研究，主要體現(xiàn)在晶體形狀及尺寸優(yōu)化、光腔結構優(yōu)化及Nd3+離子摻雜濃度等方面，并取得了豐碩的成果[52-55]。Dinh等[55]采用菲涅爾透鏡作為初級收集器件、液體光波導透鏡和混合泵浦腔相結合的多級匯聚方式泵浦直徑6 mm、長14 mm的激光棒，實現(xiàn)了120 W激光輸出功率，斜效率為4.3%。特別是在晶體形狀及尺寸優(yōu)化方面，Liang等[34]研究發(fā)現(xiàn)，表面凹槽加工的Nd∶YAG晶體能夠有效避免熱透鏡效應。 該方案采用直徑4 mm、長34 mm、槽距0.6 mm、槽深0.1 mm的Nd∶YAG棒，最終實現(xiàn)激光斜效率為2.36%。李金華等[37]進一步研究發(fā)現(xiàn)，采用螺紋結構Nd∶YAG晶體棒可有效增大其與冷卻液的接觸面積，相對于未加工的激光棒，采用螺紋結構設計可將熱焦距增大12.9%，從而有效降低晶體棒的熱透鏡效應，最終實現(xiàn)光轉換效率為3.2%、斜效率為4.25%的有益效果。

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[56]。張立偉等[57]通過理論計算證明了在Cr3+/Nd∶YAG體系中，當Cr3+離子的摻雜濃度僅為0.1%、Nd3+離子的摻雜濃度為1.0%時，Cr3+和Nd3+的各個吸收帶吸收的太陽光總能量就已經能夠達到太陽常數(shù)的38.44%。同時，Cr3+離子的發(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5所示[40]。在能量傳遞效率方面，鄧俊勇等[58]通過對比不同可見光激發(fā)波長下，YAG基質中各種稀土離子對、過渡金屬離子-稀土離子對之間的能量傳遞效率，證實了在所有離子對中，Cr3+-Nd3+離子對之間的能量傳遞效率最高，其在430 nm波長激發(fā)下的能量傳遞效率高達95.2%。由此可見，太陽光泵浦固體激光增益介質采用Cr-Nd共摻雜方式，是提升光轉化效率行之有效的方法。

圖5 Cr3+與Nd3+離子間能量傳遞示意圖

除Cr,Nd∶YAG晶體外，目前能夠實現(xiàn)Cr,Nd共摻雜太陽光泵浦固體激光器增益介質主要有Cr∶Nd∶GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)、Cr∶Nd∶GGG(Gd3Ga5-O12)、Cr∶Nd∶YSGG(Y3Sc2Ga3O12)等[24]。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[59]。盡管镥鋁石榴石(LuAG)能夠克服上述缺陷，但是LuAG的高熔點導致了其較高的制備難度和成本。因此，Cr、Nd共摻雜的YAG材料成為最佳選擇。然而，Cr3+在激光運轉過程中易被氧化為Cr4+，而Cr4+在1 μm波段的寬帶吸收特性不利于激光性能提升，導致Cr3+離子摻雜太陽光泵浦增益介質的實際應用受到限制。此外，Ce∶Nd∶YAG也有相關報道，并在太陽光直接泵浦情況下實現(xiàn)了有效激光輸出，證明了其作為有效激光工作物質的可能性[60]。

盡管單晶材料作為目前固體激光器最常用的激光增益介質，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[61]。

3.3 新一代太陽光直接泵浦激光工作介質——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，其僅通過高溫燒結原料粉體便能實現(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[62]。特別地，只有大尺寸的固體激光增益介質才能夠真正實現(xiàn)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，這是單晶材料遠無法比擬的。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[63]。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為Cr,Nd∶YAG[40,64-66]。

在太陽光直接泵浦Cr,Nd∶YAG陶瓷的研究中，低密度泵浦Cr,Nd∶YAG陶瓷的實驗中能夠觀察到很強的小信號增益現(xiàn)象[67-68]。在激光輸出方面，日本處于全球壟斷地位[69-71]。Yabe采用Cr,Nd∶YAG陶瓷先后獲得24.4 W和80 W的激光輸出[12-13]，并通過模擬實驗進一步證明了Cr,Nd∶YAG陶瓷中的小增益系數(shù)比Nd∶YAG陶瓷高3～5倍。Saiki[72]等采用白光激發(fā)的方式，更是將Cr,Nd∶YAG透明陶瓷激光輸出功率突破千瓦量級，且光轉化效率高達63%，其激光裝置圖如圖6所示。葡萄牙Liang等[15]采用0.64 m2的菲涅耳透鏡作為初級收集系統(tǒng)，通過激勵直徑4 mm、長度25 mm的Nd∶YAG單晶棒，實現(xiàn)19.3 W/m2的激光收集效率。隨后，Almeida等[73]對比了相同尺寸的Cr,Nd∶YAG陶瓷與單晶的太陽光泵浦激光輸出性能，分別獲得功率為13.5 W(陶瓷)與12.3 W(單晶)的激光輸出，進一步證實了陶瓷材料作為激光增益介質的優(yōu)勢。

圖6 采用白光激發(fā)Cr,Nd∶YAG透明陶瓷突破千瓦量級輸出功率示意圖

相比之下，我國關于太陽光直接泵浦Cr,Nd∶YAG透明陶瓷的研究起步較晚。中國科學院上海硅酸鹽研究所李江教授團隊于2008年首次實現(xiàn)Cr,Nd∶YAG透明陶瓷制備[74]，使我國成為國際上少數(shù)掌握Cr,Nd∶YAG透明陶瓷制備技術的國家[75]。隨后，中科院上海光機所[76-77]、哈爾濱工業(yè)大學[40,78]、中科院理化所[79]等科研單位均在Cr,Nd∶YAG透明陶瓷制備及太陽光泵浦激光方面取得了豐碩的成果。 北京理工大學深入分析了Cr,Nd∶YAG陶瓷作為太陽光泵浦材料的可行性，證實Cr,Nd∶YAG陶瓷是太陽光泵浦激光器工作介質的理想選擇[57]。2019年，中科院上海硅酸研究所對太陽光泵浦Cr,Nd∶YAG陶瓷透過率及散射損耗系數(shù)的分析得出，若通過優(yōu)化太陽光收集系統(tǒng)使總濃度C=10 000，側面泵浦直徑6 mm、長80 mm的Cr,Nd∶YAG陶瓷，可實現(xiàn)123 W的激光功率輸出[80]。

實現(xiàn)高質量、適用于太空環(huán)境下的陶瓷基增益介質制備，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。

3.4 復合結構增益介質

對于太陽光直接泵浦固體激光器，單一結構單晶或陶瓷介質在激光運轉過程中，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[81]。采用鍵合結構單晶/陶瓷介質可有效改善激光介質在激光運轉時的熱效應，進而實現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出[82-83]。不僅如此，鍵合結構固體激光材料能夠通過多元化結構設計，實現(xiàn)固體激光器的多功能應用，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

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7所示)，實現(xiàn)了收集效率為32.1 W/m2、斜效率為5.4%、光轉換效率為3.3%的連續(xù)激光輸出。結果表明，采用鍵合晶體棒獲得的最大輸出功率比非鍵合晶體棒提升22.6%，光束質量因子也從126優(yōu)化至61[84]。然而，單晶材料之間的鍵合結合面強度較弱，極易產生空氣間隙造成光散射，降低激光輸出性能。

圖7 泵浦腔與Nd∶YAG/YAG鍵合晶體棒結合原理圖

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，在固體激光應用方面潛力巨大。目前，復合結構透明陶瓷已經成為固體激光增益介質的主要發(fā)展方向之一[85-87]。表2展示了不同結構的復合型Nd∶YAG陶瓷的激光輸出特性，也充分體現(xiàn)出復合結構透明陶瓷作為激光增益介質的優(yōu)勢。

表2 不同復合結構Nd∶YAG透明陶瓷及其激光特性

復合結構透明陶瓷介質在未來高功率激光輸出方面具有無限潛力，其極大程度地緩解了熱透鏡效應，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，其在未來空天應用的無限潛力毋庸置疑。

4 泵浦系統(tǒng)設計

激光輸出性能是評價太陽光直接泵浦固體激光器的重要標準。因此，除了選擇高效的匯聚模式和優(yōu)異的增益介質外，還需要對激光器進行合理的光學結構設計，以提升其激光性能。目前，太陽光泵浦固體激光器常用光學結構設計包括泵浦方式設計和熱管理模式設計[34,88-92]。

在泵浦方式設計方面，目前太陽光泵浦固體激光器泵浦方式為端面泵浦方式、側面泵浦方式及端-側混合泵浦方式。其中，端面泵浦方式有利于獲得高太陽光收集效率，是提高激光輸出功率、光轉換效率有效的泵浦方式。Dinh等[55]將4 m2的菲涅爾透鏡和液體導光透鏡組合，并端面泵浦Nd∶YAG晶體棒，獲得了30 W/m2收集效率。采用光纖作為傳輸介質端面泵浦固體增益介質方面[93]，Liang等[94]報道了一種由19根光纖組成的柔性光波導，證實了其能夠實現(xiàn)高達60 W的傳輸功率，效率為60%。但由于出射光的角度分布較大，無法準確測量其輸出端的光通量，且該設計需要較高的加工精度，導致光纖傳輸方案實施難度較大，目前鮮有相關報道。并且端面泵浦方式的匯聚能量較為集中，容易造成增益介質上的局部熱沉積并形成較大溫度梯度，導致熱透鏡效應，降低光學質量。

近期研究發(fā)現(xiàn)，側面泵浦盤繞光纖有望獲得低激光閾值[98-99]。同時，該盤繞設計不再局限于追求小匯聚光斑，能夠在減小匯聚難度的同時提高激光輸出功率，發(fā)展?jié)摿薮?。Masuda等[100]將長為40 m的盤繞光纖置于充滿敏化劑溶液的環(huán)形腔內，最終獲得的激光閾值僅為太陽光匯聚密度的15倍，且該閾值相對傳統(tǒng)太陽光直接泵浦固體增益介質方式的閾值低兩個數(shù)量級，意義重大。

近年來，太陽光直接泵浦固體激光器的多級匯聚方式容易導致激光工作物質尺寸與匯聚光尺寸不匹配，因此采用端-側混合泵浦成為優(yōu)選方式。該方式是將增益介質放置在錐形腔內，使未聚焦到晶體端面上的匯聚光通過錐形腔進一步反射到增益介質上，進而實現(xiàn)對匯聚光的高效利用。該泵浦方式是目前提升太陽光直接泵浦固體激光器光轉化效率的最佳選擇[101-103]。從圖8中可以看到，在端-側混合泵浦方式下，其介質中的增益分布與僅采用端面或側面泵浦方式下的增益分布顯著不同。其中一部分輻射會通過導光管內壁的全反射直接聚焦到晶體棒的端面上，產生激光振蕩；另一部分輻射則被引導到錐形腔中并反射至介質上，實現(xiàn)對介質的側面泵浦，從而實現(xiàn)對泵浦光的高效利用[101]。

圖8 帶有3D-CPC輸出端的錐形熔融石英光波導與錐形泵腔耦合有效泵浦直徑為5 mm的Nd∶YAG激光棒

然而，相對于端面或側面泵浦，端-側混合泵浦在光學結構設計方面要求較高，因此通常需要借助理論設計及軟件模擬(通常采用ZEMAX及LASCAD等光學模擬軟件)，對光腔及增益介質設計等方面進行統(tǒng)籌優(yōu)化，以確定最佳泵浦條件及光學參數(shù)。Almeida等[101]使用ZEMAX軟件模擬了太陽光泵浦激光器系統(tǒng)的光線路徑，結合Nd∶YAG吸收光譜與太陽光光譜之間16%左右的重疊，以及0.27°的半張角，精確獲得了介質吸收損失參數(shù)，并通過LASCAD軟件對ZEMAX分析得到的泵浦通量數(shù)據進行處理，實現(xiàn)了激光諧振腔參數(shù)優(yōu)化，并基于優(yōu)化參數(shù)，獲得了40 W連續(xù)太陽光泵浦激光輸出，收集效率為13.9 W/cm2，斜效率為2.9%。在此基礎上，Almeida等[102]采用ZEMAX軟件針對錄入的Nd∶YAG晶體與太陽光光譜匹配的22個吸收峰數(shù)值等參數(shù)，實現(xiàn)對收集系統(tǒng)光路的模擬，分析得出當匯聚太陽光功率為1 600 W時，最大多模激光輸出功率可達61.6 W；并采用端-測混合泵浦直徑5 mm、長度25 mm、1% Nd∶YAG的晶體，獲得了功率為56 W的連續(xù)激光輸出，收集效率為21.1 W/m2。

Guan等[84]采用TracePro和LASCAD軟件實現(xiàn)了太陽光泵浦固體激光器的結構設計參數(shù)，實現(xiàn)了高達32.1 W/m2的多模收集效率。Liang等[103]通過ZEMAX軟件模擬，將增益介質劃分為18 000個區(qū)域，并結合增益介質的有效吸收系數(shù)獲得了其最優(yōu)化的模式匹配。圖9為優(yōu)化后介質中心橫截面的最大泵浦通量示意圖，可見端-側混合泵浦方式的增益主要集中于介質端面，同時也可以看出通過端-側泵浦結合方式能夠獲得更高的增益。最終在基模和多模情況下，獲得的光束質量因子分別為1.2和53.5，最高收集效率分別為7.9 W/m2及31.5 W/m2。

圖9 采用端-側混合泵浦方式下Nd∶YAG晶體沿中心橫截面的泵浦通量情況

由此可見，上述泵浦方式在激光性能的提升方面存在博弈。因此需要根據實際應用需求，合理選擇泵浦方式，獲得最佳激光輸出方案。

除泵浦方式設計外，合理的光腔的熱管理模式設計有利于避免過高的熱負荷,提升光束質量，是獲得高性能激光輸出的關鍵。Liang等[35]采用一種新型的熔融石英液體光波導透鏡以及水冷穿過晶體四周的獨特冷卻方法(見圖10)，該方案能夠有效地將來自拋物面鏡聚焦區(qū)的太陽輻射耦合到錐形泵浦腔內的激光棒中，并通過端面泵浦直徑為4.5 mm、長度為35 mm的Cr∶Nd∶YAG陶瓷棒，最終實現(xiàn)32.5 W 1 064 nm的連續(xù)激光輸出。

圖10 新型熔融石英液體光波導透鏡的水冷方案

特別地，對于空天太陽光直接泵浦固體激光器，其只有充分克服宇宙中極端溫差導致的不利影響，才能滿足實際空天應用、充分滿足備受關注的太空軌道衛(wèi)星安全等重大國防需求。然而，到目前為止，在所有文獻和數(shù)據庫中鮮有針對太陽光直接泵浦固體激光器熱管理模式設計的相關報道。

5 存在問題

太陽光直接泵浦固體激光器的重要性已引起極大關注，并取得了較大進展，但仍然存在一些問題：

(1)在理論研究方面，目前人們針對太陽光直接泵浦固體激光器的研究多集中于實驗論證方面，然而，在理論研究方面仍有一些問題有待完善。如增益介質結構缺陷與材料光熱損傷之間的聯(lián)系、摻雜離子在介質中的濃度分布及偏析的影響、不同種類及濃度的離子摻雜對介質固溶度的影響等方面，皆需要建立有效的理論模型。其次，在模擬太陽光泵浦方面，需要基于準確的數(shù)據信息才能實現(xiàn)系統(tǒng)設計的最優(yōu)化，且光學結構設計的復雜性也使得軟件模擬需要考慮更多的參數(shù)，增大了模擬結果與實驗結果的差異性?？偟膩碚f，基于太陽光直接泵浦固體激光器的理論完善仍然處于初步探索階段，只有不斷完善相關理論體系，并以此進一步指導優(yōu)化實驗，才能從本質上推動太陽光直接泵浦固體激光器的長遠發(fā)展。

(2)在太陽光收集方面，陽光收集光學系統(tǒng)的選擇及設計依舊是泵浦能量密度提升的關鍵。盡管目前關于太陽光功率密度提升研究方面取得了一定進展，但總體來看，受透鏡材質及加工等因素限制，光收集效率仍然較低，特別是環(huán)境因素(如大風環(huán)境、云彩遮擋等)極易對太陽光收集穩(wěn)定性造成不利影響，導致軟件模擬結果與實際情況存在較大偏差。此外，目前的太陽光泵浦固體激光器的體積遠大于LD泵浦固體激光器，導致其難以精確控制光匯聚參數(shù)，不利于精確聚焦，且成本高昂。

(3)在泵浦方式的選擇方面，如前所述，端面泵浦容易產生較低的光束質量，側面泵浦不利于實現(xiàn)激光收集效率提升。盡管端-側混合泵浦方式能夠在一定程度上緩解上述問題，但該泵浦方式容易產生較高的熱應力，特別是在高功率激光運轉情況下，較高的熱應力極易使增益介質產生熱透鏡效應，使激光束變寬，降低輸出功率。因此，為了實現(xiàn)高光束質量、高收集效率及高亮度太陽光泵浦固體激光輸出，需要在上述泵浦方式的基礎上進一步優(yōu)化其結構設計，意義重大。

(4)在激光增益介質方面：①激光單晶是太陽光泵浦固體激光器最常用增益介質，但單晶制備過程復雜且無法實現(xiàn)高濃度均勻摻雜。盡管透明陶瓷能夠克服單晶缺陷且易于調控尺寸，但由于受陶瓷制備工藝水平限制，當前陶瓷介質仍存在較大的散射損耗，極大地制約了其實際激光應用。因此，實現(xiàn)增益介質的制備工藝優(yōu)化，是實現(xiàn)高質量太陽光泵浦固體激光輸出的基礎。②由于太陽光的能量密度遠低于二極管泵浦光，因此實現(xiàn)對太陽光的有效吸收是實現(xiàn)高質量太陽光泵浦固體激光輸出的前提。如前所述，Cr離子能夠高效吸收可見光能量，但Cr離子的+3價態(tài)可控是目前實現(xiàn)Cr離子摻雜增益介質性能優(yōu)化的最大瓶頸。截至目前，鮮有高濃度Cr離子摻雜增益介質的有效價態(tài)調控報道。③能夠充分適應嚴苛的宇宙環(huán)境是太陽光泵浦固體激光器實現(xiàn)空天應用的前提。由于宇宙空間中存在大量紫外線及高能射線，其極易導致增益介質產生大量缺陷及色心，不利于激光輸出。因此，如何充分調控增益介質制備工藝以實現(xiàn)其有效電荷補償，或采用多功能復合結構增益介質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只有制備大尺寸激光增益介質才能充分實現(xiàn)其與匯聚光斑尺寸匹配。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)在燒結時受熱不均勻，造成燒結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，提升陶瓷質量。

6 展 望

隨著固體激光技術的蓬勃發(fā)展，太陽光直接泵浦固體激光器在未來具有不可估量的應用潛力。因此，不斷優(yōu)化太陽光直接泵浦固體激光器收集器件及設計方式、積極探索高效聚光模式以及充分提升增益介質性能，是推進太陽光直接泵浦固體激光技術長遠發(fā)展的關鍵。其中，實現(xiàn)增益介質品質的本質提升是重中之重，其對于提升太陽光直接泵浦固體激光器輸出功率、提高太陽光轉化效率、優(yōu)化光束質量及光譜調控至關重要。透明陶瓷作為新一代固體激光器增益介質，其在大尺寸制備、摻雜設計及結構設計等方面相對單晶及玻璃介質具有明顯優(yōu)勢。可見，實現(xiàn)透明陶瓷介質品質的本質提升，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。如前所述，透明陶瓷的尺寸僅取決于成型模具大小，使其成為高功率固體激光器增益介質的優(yōu)良選擇。然而，大尺寸陶瓷成型時的顆粒分布不均勻容易導致差異燒結，使陶瓷燒結收縮不一致甚至出現(xiàn)裂紋，降低陶瓷質量。因此，采用先進造粒手段進一步優(yōu)化陶瓷粉體的流動性及均勻性，同時合理調控陶瓷燒結制度以減小陶瓷燒結時產生的熱應力，盡可能實現(xiàn)陶瓷的均一致密化，是提升大尺寸透明陶瓷性能的關鍵。

在太陽光轉化效率提升方面，其核心在于盡可能提升太陽輻射能吸收量及能量轉化效率，因此需要在摻雜技術上有所突破。透明陶瓷可通過Tm3+、Cr3+、Nd3+、Yb3+等離子摻雜，在光譜調控的同時實現(xiàn)對太陽光的高效率吸收及能量傳遞。以Cr3+-Nd3+離子摻雜石榴石基透明陶瓷為例，由于太陽光的能量密度遠低于二極管泵浦光，因此只有在寬泛的Cr-Nd離子摻雜濃度下，才能夠高效吸收太陽光能量，從而實現(xiàn)其高效能級匹配以促進陶瓷光轉化效率提升。單晶受分凝系數(shù)的限制難以實現(xiàn)高濃度離子摻雜，而陶瓷中的“晶界效應”能夠在一定程度上釋放不對稱晶格取代產生的應力，有利于提高離子摻雜濃度從而提升陶瓷對太陽光的吸收量。盡管高濃度Cr離子摻雜有利于充分吸收太陽光，但過高離子摻雜濃度也將不可避免地導致濃度猝滅甚至晶界偏析，降低光轉化效率及陶瓷光學質量。因此，對于透明陶瓷介質，需要從晶界效應、濃度猝滅到其中的相互作用機理等方面展開多層次、多角度的深入研究，建立組分摻雜與太陽光能量的吸收量-轉化效率之間的規(guī)律和關聯(lián)性，最終實現(xiàn)其光轉化效率的本質提升。

在光束質量提升及光譜調控方面，其核心在于在材料結構上有所突破。透明陶瓷可充分利用其制備工藝靈活的優(yōu)勢，實現(xiàn)波導、包芯、長條以及碟片等結構設計，充分緩解單一塊體結構介質在激光運轉中產生的受熱不均現(xiàn)象，有利于在極端環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定激光輸出，這是單晶及玻璃介質均無法比擬的。因此，下一步工作需要在實現(xiàn)高質量單一結構陶瓷制備的基礎上，積極探索復合結構透明陶瓷成型工藝，實現(xiàn)接觸面高強度契合的復合結構透明陶瓷制備。其重點在于探索透明陶瓷在燒結過程中的各種機制，充分消除氣孔和缺陷等各種散射源，制備出光學性能和物理性能優(yōu)異的復合結構透明陶瓷，進而提升太陽光直接泵浦固體激光器激光光束質量。

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。