从碟片到“叠片”——高能脉冲放大器之路

文 | 北京大学 张志刚

啁啾脉冲放大(CPA)技术的出现，使激光脉冲的峰值功率得到很大的提高。这时，罗彻斯特大学的物理学家们就对后来的诺奖得主G. Mourou先生说，我们是不是该用高功率激光脉冲做点物理了。你猜Mourou说什么？他操着他那带着浓重法国口音的英语说，“We will still need a big laser”。那些人嘲笑道，他整个就一做激光器的工程师。

时光过去了二三十年，现在，我们还需要big laser吗？

按说这些年，脉冲能量已经到了焦耳量级，甚至合成MJ脉冲。但是要说重复频率，或者平均功率，就难说了，很多情况下，连1Hz都不到。

大科学装置，从激光粒子加速器到核聚变，哪个不需要在提高脉冲能量的同时，提高脉冲的重复频率？

高品质和高产率微细加工，从钻孔和切割，到表面微结构形成再到微细铣削都需要更高平均功率。大于1 kW的平均功率在转变为高生产率过程的同时，仍然显示出高精度和高品质。

这个“既要……”“又要……”的问题，一直困扰着激光科学家、不、激光工程师们。

过去的十年，半导体激光器泵浦的固体激光器已经证明能产生足够高的脉冲能量；进一步提高脉冲能量和平均功率，会打开更多的应用空间。

固体激光放大器是很常用的放大器，不管是光纤的种子源，还是固体的种子源。但是平均功率超过10 W，一般的接触式水冷就显得不够用了。除了液氮液氦制冷，各种形式的放大器就出现了。碟片和光纤，是增益介质的两个极端方向。

到底用哪种增益介质，一直是一个难题。

走极端——光纤与碟片

光纤，因为其表面积比很大，有利于散热，被广泛的应用。数千瓦至上万瓦的光纤激光器已经出现。但常规的单模光纤对脉冲激光有非常大的限制，主要是非线性相移。大模场面积光纤虽能容忍更高的脉冲能量，但高功率下容易产生模式不稳定。光子晶体光纤能做到更大的模场面积，同时保持单模。所以成了大多数数十瓦乃至百瓦级超短脉冲激光器的首选。能量仍然局限在毫焦耳以下。而且这种光纤价格不菲，甚至可占到激光器价格的三分之一。

固体激光介质的另一形态是碟片。因为其厚度只有几百微米，热传导变成一维，散热效率高；而且因为薄，热透镜效应相对较小。反过来，也正因为薄，对泵浦光能量吸收小，需要多次泵浦才能达到足够的增益，也需要多次通过才能使种子脉冲获得更高增益。

比起光纤的直通放大器，这种自由空间多通放大器对镜架的机械稳定性上要求很高。而且这种激光介质也还没有达到国外的水平。

还有中间路可走——单晶棒

除了光子晶体光纤，直通型放大器还有别的选择吗？有，那就是细单晶棒。单晶棒也叫单晶光纤，类似光纤又不是光纤，它的直径在1 mm以下，没有包层，介于固体棒和光纤之间。对于泵浦光来说，它是光纤；对被放大的激光来说，它不是光纤。所以既有光纤的优点，有很大的表面积比，又有较大的模场面积，所以可以容纳数十mJ的脉冲能量。

正因为没有波导条件的束缚，光束质量也会有很大的不确定性。因为没有波导约束，棒也不能很长，通常只有几个厘米。

图1 单晶光纤：对泵浦光是波导，对被放大的激光，是自由传播

更高的脉冲能量或平均功率，单晶光纤还是会受到单位面积增益和热效应的限制。

在CPA技术提出之前，人们多用增大横截面的方法放大超短脉冲。CPA技术提出之后，除了核聚变、粒子加速器等大装置场合，人们渐渐冷淡了大截面的增益介质。

最近的情况有所不同。随着对高脉冲能量和高重复频率的需求不断增加，常规的放大器显然无法承受成千上万瓦的平均功率。

把脉冲展宽到ns以上，并不能解决散热问题。

热量、热量！

限制激光脉冲能量的，有三道杠，一是非线性，二是热透镜，三是光损伤。即使将脉冲展宽成连续光，热透镜效应总是无法避免的。所以，目前为止的激光放大装置中，脉冲能量和重复频率成反比。

要打破这个规律，就需要打破器件的限制。

而且在高脉冲能量放大的情况下，平均功率越高，热效应就越大。

在对高脉冲能量、高重复频率脉冲的需求日益增长的情况下，采用什么样的增益介质，就成了大问题。

从单级碟片到多级碟片

单级碟片激光放大器，增益和脉冲能量有限，多级碟片就自然应运而生。1 kW平均功率、1 J以上脉冲能量的放大，多级叠片可以达到。

多级碟片既能发挥碟片散热好的优势，又能得到更高的脉冲能量。缺点是级数越多，机械稳定性要求越高，体积也相对较大。

世界上有好几个系统已经证明能稳定产生能量100 J、重复频率10 Hz、平均功率1 kW以上的激光脉冲。这些系统打算将重复频率提高到10倍，即100 Hz，这样平均功率就超过了10 kW。

图2 1.1 J 多级碟片放大器

从碟片到叠片：异质键合还是空气隙

单一片状晶体增益有限，不能解决有效脉冲放大问题；级联虽然是个好办法，体积也会变得很大。于是有人提出，把多个碟片摞起来，再加上大口径，应该可以获得更多的增益，得到更大的脉冲能量。

可是这样并没有解决散热问题。多级碟片，至少每个碟片还可以单独散热。串起来，中间的碟片靠什么散热呢？

有两种方案，一种是固体面接触散热型，即碟片之间靠高导热固体作为媒介，将面与面的传热再传递到侧面，再传导到热沉。

图3 键合好的叠片放大器介质

另一种技术是高速气流散热型。碟片之间没有任何固体介质，用高压低温氦气通过空气隙冷却。

它们都有一个共同的特点，多片介质紧凑级联，故统称为“叠片”。只不过这里的碟片，已经变成了“slab”，因为不再有传统的多次泵浦增益，为了更好地吸收宝贵的泵浦光，碟片就不再是几百微米，只能增加每片的厚度。为了保持纵向增益均匀，这些碟片的掺杂也是不一样的，即沿泵浦光源入射方向，掺杂浓度越来越高。

它们散热到底怎么样？如果中间夹的是蓝宝石（又称白宝石sapphire），这种介质在室温下的导热率是46 W/m/K，这个导热率在介质中是高的，但和金属比，就差很多，如铜是400 W/m/K。用蓝宝石做散热介质，显然不如用铜更好。可是，铜是不透光的。

低温氦气直接冷却是否能比固体硬接触更好呢？氦气的热导率，是非常低的。在300 K，一个大气压下，氦气热导率只有0.16 W/m/K。

实际上，流动的气体、流动的水，已经不是以导热为主，是对流散热为主。这样的话，对比的是对流换热系数，就是携带热量的能力。氦气的比热容在常温常压下是5.2 kJ/kg/K，是水的一倍多。所以，用氦气作为冷却方式就非常有效。

回头再看蓝宝石，其比热容是779 kJ/kg/K，也是相当高，而铜仅有0.39 kJ/kg/K。蓝宝石结合高导热率热沉和高比热容的流动液体，也可以带走相当的热量。

说起来容易做起来难

固体接触面这种叠片结构，是怎么接触的呢？用胶粘接，在高功率激光中不适合，因为胶很可能先于激光晶体被损伤。

另一种简单的方法，就是所谓“光胶(optical contact)”，但光胶结合力比较弱，特别是异质材料，因热膨胀系数不同，在温度变化时很容易开裂。直接用水包围也会解体。

比较靠谱的是常温下的无胶键合技术(adhesive-free bonding: AFB)。光胶之所以不结实，是因为接触表面不是那么干净，有氧化物和杂质。既然是“键合”，就要彻底清洁要接触的两个表面，让它们露出“毛茬”——“悬挂键”，然后让两个介质表面的悬挂键合在一起。这个毛茬是用离子束或原子束轰击形成的。因为是“键合”，强度非常之高，经得起几十MPa的剪切应力，以至于材料本身碎掉，也不能将它们分开。键合后的“叠片”，也可以经受侧面液流冷却。

把多片异质介质键合在一起，过程比较复杂。因为是两两键合，受离子束或原子束源个数的限制，多数情况下是一片一片地键合，非常耗时。

在大大的晶体里

脉冲能量超过10 J，需要增益介质的尺寸超过现在制造技术的限制，需要创新的解决方案来扩大增益介质的尺寸。稀土掺杂玻璃是最常见、最容易做成大块的增益介质。然而玻璃导热性差，冷却时间长，不适合高重复频率。需要导热性好的大口径晶体。

目前有两种方案，一种是晶体拼接，一种是大块陶瓷，或者拼接的陶瓷。

上述无胶键合技术，也可以用于无缝拼接晶体，把晶体尺寸做大。这种技术拼接的晶体的机械强度、光学性能包括对高通量激光辐射的耐受力几乎可以和一次拉出的单块晶体媲美。

“We still need a big laser”

欧洲DiPOLE装置目前已经做到10 J，10 Hz。他们的目标是做到100 J，100 Hz，用于核聚变和高次谐波产生等。

“Big laser，but in small size”，日本分子科学研究所的平等拓範（Taira）教授强调说，大能量高功率激光器也要做小。他把他的项目的名称弄得跟他的姓氏发音一样：TILA：tiny integrated laser。他提出的万瓦激光器放大器就是这样一个典型的TILA“叠片”放大器，放大介质和散热片的总长度是11 cm。如果你认为这就是所有激光器的大小，那就错了。这里还没包括小的振荡器和前级放大器。不过按他的思路，前级放大器也不会太大。

高能脉冲放大器之路

让我们再看Mourou先生的这句话“We will still need a big laser”，我们是不是可以这样理解，CPA并不是高功率激光器发展的终点，也不能解决一切高功率激光器的问题。高能量、高重复频率、高平均功率脉冲的发展方向，在CPA之上，是固体碟片、多级碟片和大口径“叠片”。

目前来看，国家政策已经把超短脉冲激光放大器的天平，悄悄地向固体方向倾斜了。

本文转载自《激光评论》微信公众号

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