固體高功率和短波激光是滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求、支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的‘國(guó)之重器’，是科技基礎(chǔ)前沿、高端制造業(yè)發(fā)展的‘動(dòng)力源泉’。”在10月14日—15日舉行的香山科學(xué)會(huì)議第754次學(xué)術(shù)討論會(huì)上，會(huì)議執(zhí)行主席、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授樊仲維如是說。
我國(guó)以非線性光學(xué)晶體、激光晶體為代表的人工晶體處于國(guó)際領(lǐng)先地位，是我國(guó)發(fā)展固體激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)所在。我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)從晶體材料到激光器再到應(yīng)用技術(shù)的全鏈條逐步發(fā)展完整，然而，整個(gè)激光行業(yè)仍存在需要解決的科學(xué)問題，我國(guó)也依然面臨著亟須突破的技術(shù)難題。
此次會(huì)議上，與會(huì)專家圍繞長(zhǎng)期制約固體高功率和短波激光發(fā)展的主要問題開展基礎(chǔ)理論和新方法研討，梳理固體高功率和短波激光器實(shí)現(xiàn)高功率和高效率工作的新途徑，優(yōu)化完善我國(guó)固體高功率和短波激光技術(shù)發(fā)展路線圖，為我國(guó)自主發(fā)展高功率激光以及短波光源提供有力的技術(shù)支撐。
尋找“超熱導(dǎo)”激光介質(zhì)材料
激光功率增加的過程總是伴隨著熱能，而熱能往往無用且有害。“激光的本質(zhì)是微觀粒子的有序運(yùn)動(dòng)，而熱是微觀粒子的無序運(yùn)動(dòng)，高功率激光的發(fā)展史就是一部與廢熱斗爭(zhēng)的歷史。”國(guó)防科技大學(xué)教授許曉軍說。
激光的產(chǎn)生必須選擇合適的增益介質(zhì)。對(duì)增益介質(zhì)產(chǎn)生的廢熱進(jìn)行熱管理是高功率激光行業(yè)普遍面臨的難題。要解決這一問題，一方面可以通過選擇摻雜離子減少量子虧損，另一方面可以提升增益介質(zhì)的散熱能力。
在熱量傳輸?shù)倪^程中，增益介質(zhì)材料的熱導(dǎo)率是最為關(guān)鍵的物理參數(shù)。在目前所用的激光增益介質(zhì)材料中，玻璃材料的熱導(dǎo)率較低，晶體材料如常用的YAG由于其有序的周期性結(jié)構(gòu)而熱導(dǎo)率較高。
選擇高熱導(dǎo)率的晶體作為激光增益介質(zhì)材料，是發(fā)展超高熱導(dǎo)率激光材料的思路之一。與會(huì)專家介紹，金剛石是目前已發(fā)現(xiàn)的熱導(dǎo)率最高的固態(tài)物質(zhì)。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，具有高熱導(dǎo)率的材料的晶體結(jié)構(gòu)主要為金剛石型或類金剛石型，其室溫?zé)釋?dǎo)率較目前常用的激光增益介質(zhì)材料高約2個(gè)數(shù)量級(jí)，金剛石有潛力成為“終極”激光增益介質(zhì)材料，且已用于擴(kuò)展波段、承載大功率的拉曼晶體（利用受激拉曼散射這種非線性光學(xué)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)激光頻率轉(zhuǎn)換的晶體）。
高熱導(dǎo)率使得金剛石基器件可以實(shí)現(xiàn)高功率工作而無需過分擔(dān)心散熱問題，具有優(yōu)異光學(xué)和熱學(xué)性能的金剛石有望實(shí)現(xiàn)大功率激光技術(shù)的跨越式發(fā)展。目前，我國(guó)已開始金剛石基大功率激光增益介質(zhì)的初步探索，并實(shí)現(xiàn)將稀土釹離子摻入金剛石晶體。
但基于金剛石等晶體的激光增益介質(zhì)材料仍存在兩大研制難題。一方面這些材料熔點(diǎn)高，難以通過成熟的熔體法生長(zhǎng)，其晶體的大尺寸制備本身存在困難；另一方面，材料組成的離子半徑小，與稀土或過渡族金屬離子的離子半徑差異大，激活離子難以摻入，導(dǎo)致?lián)诫s濃度極低，不具備使用價(jià)值。
1911年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝职l(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，即導(dǎo)體在某一溫度下電阻為零的狀態(tài)。超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，有望解決電力傳輸過程中的廢熱損耗問題。樊仲維表示，受超導(dǎo)現(xiàn)象的啟發(fā)，未來如果能夠發(fā)現(xiàn)“超熱導(dǎo)”激光增益介質(zhì)材料，就能實(shí)現(xiàn)激光熱量的瞬態(tài)散逸，徹底解決激光器的廢熱問題。
破解激光調(diào)控元件輻照損傷難題
在高功率激光系統(tǒng)中，有數(shù)量巨大、種類繁多的光學(xué)元件對(duì)激光光束進(jìn)行時(shí)空調(diào)控，典型元件包括光學(xué)透鏡、反射鏡、偏振器件和光柵等。這些光學(xué)元件在激光輻照下的損傷問題直接影響著激光系統(tǒng)輸出功率的提升。樊仲維表示，目前，研究人員主要通過優(yōu)化基質(zhì)材料、提升材料處理工藝等方式提高元件的抗損傷能力，進(jìn)而提升我國(guó)高功率激光器輸出水平。
同濟(jì)大學(xué)教授王占山介紹，在材料優(yōu)化方面，熔石英因其硬度高、彈性模量大、熱膨脹系數(shù)高、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定，在大光譜范圍內(nèi)具有優(yōu)異的透射性能和抗強(qiáng)激光損傷能力，是目前高功率激光系統(tǒng)中大口徑光學(xué)元件選用的主要材料。
在提升材料處理工藝方面，激光調(diào)控元件表面通常鍍有高損傷閾值薄膜，可通過加鍍保護(hù)層和緩沖層、摻雜光學(xué)材料、對(duì)薄膜表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)處理等方法來提高薄膜的抗損傷能力。另外，已有實(shí)踐表明，用低于光學(xué)元件損傷閾值的激光對(duì)元件表面進(jìn)行預(yù)處理，也可以有效提高元件的抗損傷能力。
樊仲維表示，在重大工程的牽引下，我國(guó)在若干種類光學(xué)調(diào)控器件抗損傷技術(shù)方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但目前在技術(shù)推廣應(yīng)用方面還有待提高。開展標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究，通過產(chǎn)學(xué)研用合作，將已經(jīng)形成的技術(shù)工藝進(jìn)行固化和規(guī)范，形成系列標(biāo)準(zhǔn)，在有效保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用推廣，將有利于國(guó)內(nèi)整體行業(yè)水平的提升。
保持傳統(tǒng)晶體材料優(yōu)勢(shì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)再突破
紫外/深紫外等短波長(zhǎng)激光因具有波長(zhǎng)短、光子能量高等特點(diǎn)，可以用于非常精確的材料加工，使熱影響區(qū)最小。還可引發(fā)光化學(xué)作用，直接導(dǎo)致材料化學(xué)鍵斷裂、重組，生成新物質(zhì)，在時(shí)間、空間、能量分辨率和自旋分辨上具有明顯優(yōu)勢(shì)，在諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。
“目前，以高功率可見、近紅外全固態(tài)激光為基頻光源，通過非線性光學(xué)晶體的多級(jí)變頻技術(shù)產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學(xué)晶體變頻方案，是獲取實(shí)用深紫外激光光源的有效途徑。”樊仲維介紹。
20世紀(jì)八九十年代，我國(guó)著名材料學(xué)家陳創(chuàng)天院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用陰離子基團(tuán)理論，預(yù)測(cè)無機(jī)晶體數(shù)據(jù)庫(kù)中的KBBF是一種優(yōu)秀的深紫外非線性光學(xué)晶體。此后該團(tuán)隊(duì)聯(lián)合眾多科學(xué)家在激光測(cè)試和晶體生長(zhǎng)方面取得突破，使我國(guó)在深紫外KBBF晶體生長(zhǎng)方面國(guó)際領(lǐng)先，也使中國(guó)成為世界上唯一能研制實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光器的國(guó)家。
與此同時(shí)，深紫外全固態(tài)激光器研究仍存在倍頻晶體單一、生長(zhǎng)尺寸小、轉(zhuǎn)換效率低等問題。一方面，研究人員在繼續(xù)探索晶體生長(zhǎng)工藝以及非線性光學(xué)性能超越KBBF的新晶體；另一方面，也在嘗試開發(fā)基于深紫外全固態(tài)激光源的先進(jìn)儀器，將我國(guó)在短波晶體方面的優(yōu)勢(shì)拓展到器件及集成系統(tǒng)方面。
隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)高功率、大能量、高效率及性能精密調(diào)控成為紫外/深紫外激光發(fā)展的必然趨勢(shì)。研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、高轉(zhuǎn)換效率、無層狀生長(zhǎng)習(xí)性的優(yōu)質(zhì)變頻晶體，實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)激光輸出，成為當(dāng)前深紫外全固態(tài)激光技術(shù)的重要發(fā)展領(lǐng)域。
在保持我國(guó)傳統(tǒng)晶體優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，研究者們希望探索出制備高效紫外/深紫外激光材料的新思路。中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員潘世烈介紹，我國(guó)提出了全波段相位匹配新思路及氟化設(shè)計(jì)策略，并成功研制了新型非線性光學(xué)晶體GFB及系列新型氟化硼酸鹽深紫外非線性光學(xué)晶體。未來科研人員還有望在人工智能+數(shù)據(jù)新范式驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)新材料的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)、基于自動(dòng)化生長(zhǎng)技術(shù)開發(fā)大尺寸晶體生長(zhǎng)，在光學(xué)性能和尺寸等方面突破紫外/深紫外晶體材料的研究極限。
與會(huì)專家建議，在目前通過近紅外波段多次倍頻產(chǎn)生紫外光源的基礎(chǔ)上，重視發(fā)展可見光波段的泵浦光源和激光晶體，是高效產(chǎn)生紫外光源的創(chuàng)新方式。樊仲維認(rèn)為，能否借鑒超材料相關(guān)技術(shù)，提高光學(xué)器件對(duì)極紫外波段的調(diào)控能力也是一個(gè)有待探索的技術(shù)問題。
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