简略地介绍了世界上和国内第一批激光器的诞生背景和经过。列举了中国激光技术的初期发展以及我国政府采取的有力和有效的措施。介绍了激光早期(1961-1967年)发展的几个主要方面以及这些早期激光的研究和开发工作对后期中国激光技术发展的影响。

主要从半导体激光器第一、二、三次飞跃详尽介绍分析了中国半导体激光器的重大突破与发展。

概述了激光玻璃发明近五十年的发展历史,重点阐述了中国激光钕玻璃的研究发展历程,国内外高功率磷酸盐激光钕玻璃的性质,以及它们在国内外大型激光核聚变装置中的应用。介绍了用于激光产生与放大的掺稀土多组分玻璃光纤。

概述了激光的诞生以及激光核聚变(主要是神光装置)的发展历程和应用前景。

系统地介绍了硼酸盐非线性光学晶体发现的历史背景和理论基础,以此来纪念激光发现五十周年。

1960年发明的固态激光器和气体激光器,1962年发明的双极型半导体激光器和1994年发明的单极型量子级联激光器(QCL)是激光领域的三个重大革命性里程碑。自1994年发明单极型QCL以来,目前已研制出波长覆盖2.63-360 μm,室温连续功率达瓦级的系列中远红外波段单极型QCL。本文对QCL的发明、激射机制、材料与激光器进行了综述性介绍。讨论了QCL及其在环境与气候监测、医学成像和检查及疾病诊断、通信、国土安全等战略新兴应用领域的研究现状和未来发展趋势。

回顾了激光相干合成的发展历史,分析了近两年来光纤激光相干合成技术的发展现状,梳理了光纤激光相干合成发展的若干重要动向,为激光相干合成技术发展提供参考。

光纤激光的输出功率在十余年内迅速上升,目前连续输出的光纤激光功率已达千瓦以上。由于光纤纤芯可承受功率和光纤纤芯大小有关,而加大纤芯直径会降低光束质量,为了进一步提高光纤激光输出功率而不降低光束质量,一种方法是设计超大模场双包层光纤,加大光纤中低阶模的直径;另一种方法是加大光纤的纤芯直径,并用各种方法改进它的光束质量。对以上两种方法进行介绍,并给出一部分实验结果。

介绍了准分子的基本能级结构、光谱特性及产生激光的激励方式。简要回顾了准分子激光及实用准分子器件的发展历史。着重阐述了放电激励准分子器件的相关技术,如大能量与大功率技术、高重复频率技术、光束控制技术和激光电源技术等。分析了准分子激光光刻应用及近期技术发展,介绍了准分子激光在工业、医疗和生产领域的应用。

在北京同步辐射装置(BSRF)上建立了国内唯一的软X射线光学实验平台,主要用于惯性约束聚变(ICF)激光等离子体诊断用探测元器件的精密标定技术研究。硬件方面主要包括两条不同能区的单色聚焦X射线光束线(能量范围0.05-6 keV)、高精度软X射线综合测试分析装置、软X射线标准探测器电离室系统及若干探测器标定装置等,软X射线(0.05-1.5 keV)和中能X射线(1.2-6 keV)两条光束线各项性能指标均达到或优于原设计指标。一大批ICF实验用的探测器在实验平台上进行了标定,主要包括X射线探测器(XRD)、反射镜和多层膜、透射光栅、电荷耦合器件(CCD)等,还包括一些新的探测元器件,如:晶体、成像板等,这些探测元器件被用于ICF实验中,取得大量的成果。该平台在光学、天文、材料、计量和Z箍缩实验等领域也得到了广泛的应用。

激光二极管抽运的被动调Q固体激光器不仅结构简单、紧凑,而且由于采用端面抽运的方式有效地耦合了抽运光和激光可以获得高光束质量的激光输出,同时由于其独特的短腔长从而可以实现亚纳秒、高峰值功率的激光输出,在激光加工、激光通信、医疗、生物和材料微结构分析等方面有非常广阔的应用前景。在过去的十多年里,采用掺镱离子(Yb³⁺)的激光材料作为激光增益介质,用Cr4+:YAG和半导体可饱和吸收镜等作为被动调Q开关的被动调Q微片激光器取得了长足的进展,不仅获得与基于掺钕离子激光材料作为增益介质所实现的相同的高峰值功率被动调Q激光输出,而且在激光效率及激光设计的灵活性方面凸显出了明显的优点。系统地介绍了基于掺Yb³⁺离子激光材料作为激光增益介质实现被动调Q微片激光器的研究进展及其在未来的发展趋势。

介绍了高功率紫外(UV)激光器的应用,回顾了产生紫外激光的非线性光学原理以及用于产生高功率紫外激光的非线性光学晶体,给出了近年来在应用最为广泛的高功率355 nm和266 nm全固态紫外激光器方面的国内外研究进展,展望了高功率全固态紫外激光器的发展需要解决的问题及可能的技术途径。

提出了基于偏振控制的双波长切换激光器的概念,采用角锥腔电光调Q-DPL(激光二极管抽运固体激光器)、环形腔KTP-OPO(光参量振荡器)和电控偏振态切换技术,获得在小型轻量化、高可靠性、高效率、高重复频率和大能量输出等约束条件下,1064 nm/1570 nm两种波长自由切换输出。其中1064 nm波长每脉冲280 mJ激光输出,1570 nm波长每脉冲125 mJ激光输出,转换效率为45%,且同轴输出指向稳定,可用于星载、机载、舰载激光测距/照射、激光雷达和激光环境监测等领域。

采用Nd:YVO4固体激光器的1064 nm波长作为抽运源,在室温下实现了PPMgLN晶体准相位匹配的光学参量振荡器(OPO)输出。在连续工作模式下,OPO的抽运阈值为1.1 W,并在8.75 W的1064 nm连续抽运下获得了905 mW的3.2 μm闲频光输出;在主动调Q的工作模式下,由平均功率为6.6 W的1064 nm脉冲激光抽运,获得了1.13 W 的中红外波段闲频光输出,光光转换效率达到17%。采用平均功率为1.15 W的Cr:YAG被动调Q的1064 nm脉冲激光抽运,获得了125 mW 的中红外脉冲激光输出。通过改变晶体的极化周期,实现了闲频光3.13-4.20 μm中红外宽带可调谐的连续和脉冲激光输出,并在主动调Q脉冲激光作为抽运光源时,测量了相应OPO的分立输出光谱、波长调谐间隔和光谱带宽。

报道了连续激光二极管单端抽运Nd:YVO4环形腔结构的单频激光器实验研究。为了减小激光器的热效应,实验中采用了一种新型的抽运结构形式并获得了良好的实验效果。在室温下工作物质采用自然散热,当抽运功率为22.5 W时,获得了9.9 W的1064 nm单频激光输出,对应的光光转换效率约为44.1%;光束质量为M2x=1.14和M2y=1.12;输出激光1 min内频率漂移约为83.7 MHz;7 h功率不稳定度优于0.5%。

对基于空间滤波原理的光反馈环形腔光纤激光阵列的被动相干组束技术进行了实验研究。采用自行研制的四路保偏掺镱光纤放大器,建立了二维光纤激光相干组束实验系统,通过同相信号光的有效反馈,实现了各路放大激光的同相输出,获得了稳定的二维远场相干图样,相干对比度达91.7%,相干耦合效率为94.5%。并观测到被动锁相时的多纵模相干输出现象。

为了达到野外使用要求,采用变反射率镜(VRM)非稳腔和折叠腔方式,研制了高光束质量的小型脉冲激光器。分析了VRM腔参数对输出激光束特性的影响,针对高光束质量输出要求,通过计算,选择出适合的谐振腔参数。为了实现小型化和免调整特性,采用角锥棱镜作为折叠棱镜,设计了腔内线偏振光振荡的角锥棱镜激光谐振腔。根据理论分析结果,进行了实验研究。结果显示,在氙灯抽运下注入电能32.4 J,实现重复频率(1-10 Hz)单脉冲能量输出,获得了高光束质量、高动静比的基模光斑。在3 Hz重复频率下,脉冲能量为320.2 mJ,脉宽8.3 ns,光束质量为1.27,Q开关效率为95.5%,电光转换效率为0.99%。

设计并研制了以全金属射频波导CO2激光器为抽运源的太赫兹(THz)激光器,其中THz激光工作气体为CH3OH气体,在波长为9.69 μm的P9(36)支CO2脉冲激光抽运情况下,获得了脉冲THz激光输出。实验上测量了脉冲抽运光及THz激光波形及重复频率,抽运光由宽带室温HgCdTe探测器测试,最高重复频率为5 kHz。THz激光由热释电探测器接收,由于受探测器限制,实验上测量的THz激光波形失真,最高重复频率为1 kHz。另外研究了输出THz激光强度与工作气压的关系,测出此系统最佳工作气压为10 Pa左右。研制的THz激光器为全金属结构,不用水冷,具有结构简单、体积小的优点,可以为相关研究提供参考。

从理论和实验分析讨论了全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的输出功率与最佳耦合透射率以及腔内损耗之间的关系,并根据实验数据确定的腔内损耗和最佳透射率,设计和优化激光器,使其输出功率和稳定性都得到较大提高。当抽运功率为8 W,输出耦合镜的透射率为3.1%时,可调谐钛宝石激光器的输出功率达到2 W(792 nm),斜率效率为37.6%,1h内的功率稳定性优于±0.5%,波长调谐范围720-820 nm,激光器被锁定后,10 s内其频率稳定性优于±134 kHz,15 min内的频率稳定性优于±3.3 MHz。

高功率单频拉曼光纤放大器(RFA)的性能往往会由于受激布里渊散射(SBS)的出现而受到限制。在综合考虑受激拉曼散射和SBS过程的基础上,提出了SBS限制下的RFA中的强度耦合方程组。通过在耦合方程中加入温度场和应力场,讨论温度场和应力场对SBS阈值的影响。分析表明,虽然单独依靠温度场或者应力场都能很好地抑制SBS,提升放大器的性能,但要求都比较苛刻,很难真正实现。提出了一种综合使用温度和应力梯度的方案,在实际可操作的范围内,将RFA的输出功率提高了3倍。数值模拟的结果为实验研究高功率单频RFA中抑制SBS提供了一定的指导。

报道了一种传导冷却、双侧面反弹抽运的脉冲运转Nd:YAG两级板条激光放大器。在重复频率条件下,通过实验测试其放大输入输出关系曲线、光束质量、热效应等特性,证明此种类型的放大器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、热效应低和功率可定标放大等特性。实验对由单频激光振荡器输出的平均功率1.1 W,脉宽11.3 ns,光束质量因子(M2x ,M2y)为1.2的激光脉冲序列进行放大,当重复频率为125 Hz时,得到平均功率24.1 W,脉宽8.9 ns,光束质量因子M2x=1.53,M2y=1.27的高光束质量放大激光脉冲序列输出。实验结果表明,此种类型的激光放大器在空间探测应用上具有潜力。

主振荡功率放大是获得高功率脉冲染料激光的有效模式,染料激光脉冲在放大过程中,与抽运激光脉冲的时序匹配是获得高效转换的基本条件之一。采用速率方程对高重复频率、调Q和倍频Nd:YAG激光正向抽运脉冲放大过程进行了数值模拟,研究了实际应用中,抽运激光脉宽大于染料激光脉宽条件下的放大过程的时间特性。结果显示,当最佳时序匹配时,抽运激光脉冲峰值相对信号激光延迟具有纳秒量级的滞后,抽运激光脉冲越宽,滞后越多,同时,染料分子的激发受激辐射再激发的动态过程造成放大后的染料激光脉冲被展宽,分析显示采用固定抽运激光脉冲峰值位置的方法进行时序控制是可行的。

为满足高功率可调谐激光器的应用需求,研制了一种新型的法布里珀罗(F-P)滤波器,由两个光纤准直器、一个腔长可调的短腔F-P腔和一个压电陶瓷(PZT)微位移器组成,F-P腔和PZT配合形成了一个可调谐的光滤波器。通过改变PZT上所加电压来控制F-P腔的腔长,该滤波器得到了接近50 nm宽的调谐范围,精细度达到134。利用所制作的F-P滤波器,使用Yb³⁺掺杂光纤作为增益介质,构建了一台可调谐的环形光纤激光器,取得调谐范围为32.5 nm的可调谐激光输出,波长为1032.82-1065.32 nm。激光器最大输出功率为2.72 mW,线宽为0.078 nm。

基于速率方程和腔内光传输方程,推导了纵向抽运准三能级连续激光器的抽运吸收效率、斜率效率、腔内基波几何平均光强、激光阈值、激光输出光强和功率的显式解析表达式。讨论了抽运吸收饱和效应对抽运吸收效率、激光阈值、激光转换效率和腔内基波几何平均光强的影响。理论分析和数值模拟表明,抽运饱和效应对激光性能的影响与抽运吸收截面和激光发射截面的比值、平均单程损耗因子、抽运能级与激光上下能级的粒子数布居因子及晶体长度等因素有关。当晶体越短、抽运吸收截面和激光发射截面的比值越大、腔损耗越大时,抽运吸收饱和效应越明显。抽运吸收效率的下降会导致激光阈值升高、腔内基波几何平均光强以及激光转换效率的下降。

使用最高重复频率可达1000 Hz的脉冲激光二极管抽运的电光调Q单纵模激光器作为种子源,经过两级预放大器和两级主功率放大器后获得高重复频率高能量的激光输出。然后使用此光源对由芯径为1 mm和400 μm的石英光纤组合而成的大口径锥度光纤固体相位共轭镜在重复频率分别为1000,500和400 Hz情况下的受激布里渊散射反射率进行了详细的实验研究,并分别得到33.3%,41.2%和50.7%的最高反射率。实现了固体相位共轭镜在高重复频率大能量条件下大于50%的受激布里渊散射反射率。在重复频率为400 Hz时,激光脉冲宽度从24 ns压缩到6 ns,压缩比为4:1,且脉冲光滑无调制。

实验研究了掺镱大模场面积光子晶体光纤(LMA PCF)飞秒激光二级放大系统。振荡级和预放基于双包层保偏大模场面积光子晶体光纤,主放大级基于7芯大模场面积光子晶体光纤。7个纤芯六角排布,总的模场面积高达5000 μm2,有效降低了光纤中的非线性。而且各个纤芯之间离散分布,热应力等问题也得到了缓解。当抽运功率较小时,输出的模式为多个超模的叠加。在高功率抽运下,获得了平坦的同相位超模输出,对应远场具有很好的高斯分布。获得了重复频率1 MHz,平均功率24 W的激光放大输出。经光栅对压缩后,脉冲宽度为110 fs,对应的峰值功率达到150 MW。

基于耦合模理论,分析了二阶光栅分布反馈(DFB)激光器的综合出光特性,包括阈值增益、光子密度分布、外微分量子效率等。数值计算结果表明,对于波长为1.55 μm的给定结构器件,二阶光栅占空比对其出光特性影响较大。最后得到优化的光栅占空比为0.43,优化后,腔内光子密度分布均匀,边模抑制比达35 dB,外微分量子效率达47%。

通过1064 nm激光抽运KTP晶体内腔光参量振荡(OPO)技术获得了近衍射极限的2.68 μm激光输出,对实验结果开展了详细的分析。抽运源为声光调Q Nd:YAG激光器,光参量振荡器谐振腔采用双谐振结构,将两块相同的KTP晶体光轴相向放置以补偿走离效应,KTP晶体按φ=0°,θ=62°切割以获得波长2.7 μm激光输出,采用Ⅱ类相位匹配(o→o+e)以利用较大的非线性系数。在808 nm激光二极管抽运功率为330 W,声光Q开关工作频率为7 kHz的条件下,获得平均功率7.6 W,波长2.68 μm激光输出,光束质量因子M2小于1.6,对应信号光1.765 μm激光输出功率约14 W。

采用结构紧凑的W型谐振腔设计,利用激光二极管(LD)抽运掺镱硅酸钇(Yb:YSO)晶体,用半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为被动锁模元件,实现了稳定的连续锁模皮秒激光运转。在抽运功率为13.5 W时,获得了平均功率2.39 W的连续锁模输出,重复频率为104 MHz,实际测得脉冲宽度为3.2 ps,中心波长为1043.5 nm,光谱半峰全宽约为1 nm。

利用国内生长的Tm:YLF晶体实现了在波长1910 nm处高重复频率、短脉宽激光种子输出。晶体尺寸为1.5 mm×6 mm×20 mm,掺杂原子数分数为2%。在腔长为90 mm条件下,采用不同透射率(T)和曲率半径(R)的输出镜,测得在T=10%,R=250 mm时输出激光的斜率效率最高,为25.6%。利用高功率掺铥光纤放大器,采用激光主振荡功率放大器(MOPA)方式,实现了脉冲激光放大。在抽运功率为100 W,重复频率为500 Hz时,得到峰值功率630 kW,单脉冲能量63 mJ的脉冲输出。

研制了一种基于管状预电离的可调谐横向激励大气压(TEA)CO₂ 激光器。激光器采用光桥结构和折叠腔技术,输出稳定、结构紧凑。采用光栅谐振腔,实现了激光的调谐输出。激光器可输出谱线73条,波长范围为9.19-10.86 μm,其中45条谱线输出能量大于2 J。对于P10(20),R10(20),P9(20),R9(20)四条谱线,获得最大的激光脉冲能量分别为5.3,5.4,5.5,5.1 J,对应的电光转换效率分别为9.6%,9.8%,10.0%,9.3%;获得的最高电光转换效率依次为10.3%,10.7%,10.7%,10.7%。在气压为30 kPa下,激光器获得的最大比注入能量为2.626 J/(L·kPa),P9(20)谱线获得的最大比输出能量为0.205 J/(L·kPa)。测量了不同气压下的四条谱线的激光脉冲波形,输出的激光脉冲宽度值有所不同,其中R9(20)的脉冲宽度最大。测量了光束远场发散角,其值为2.6 mrad。实现了激光器的高重复频率可调谐输出,重复频率最高可达190 Hz。

以248 nm的KeF准分子激光器为光源,基于相位掩模法,研究了大模场面积双包层光纤(LMA-DCF)光栅的刻写技术。在20/400 μm的LMA-DCF中制备出中心波长1076.11 nm,基模反射率大于99.9%,3 dB带宽0.32 nm的光纤布拉格光栅(FBG)。用已制备的FBG作为腔镜,采用分立的光学元件后向抽运掺Yb³⁺光纤激光器,实现了144 W的稳定激光输出,斜率效率为60%,输出激光光谱特性同FBG的光谱特性一致。

使用透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM),实现了光纤耦合半导体激光抽运Nd:YAG晶体的连续波锁模运转。根据ABCD矩阵传输理论,对激光器谐振腔的像散、稳定性与腔参数的关系进行了理论计算。在此基础上,设计了Z型折叠激光谐振腔,获得了稳定的1064 nm皮秒锁模激光输出。当抽运功率为7.7 W时,最大输出功率为372 mW。重复频率为54 MHz。经测量此时锁模脉冲宽度为8.9 ps。

对激光二极管(LD)端面抽运圆柱状Nd:YAG晶体产生946 nm激光的热效应进行了分析,考虑了晶体的三能级结构和腔内传播功率分布,修改了热转换系数,得出了更符合实际的晶体内部温度场分布。在抽运功率为15 W时,晶体端面中心的温度由未修改参数前的156.83 ℃变为246.7 ℃,提高了89.87 ℃。对修改参数前后的热焦距进行了计算对比,并对热焦距进行了实验测量,实验结果与理论结果基本吻合。该方法适用于准三能级、三能级激光热效应研究,分析及计算结果为LD端面抽运的固体激光器件的热效应研究及谐振腔优化设计提供一定的参考。

使用高功率激光二极管(LD)双端抽运复合晶体结构是获得高功率高效率基模输出激光器的有效手段。使用YVO₄-Nd:YVO₄-YVO₄复合晶体作为激光增益介质,并采用平平非对称腔结构,使激光器运行于动态稳定区,在抽运功率为70 W时,连续基模输出功率可达34 W,光光转换效率为48.6%;但在调Q状态下,脉宽较长,达80 ns左右,某些时候不能满足激光器的后续应用。在缩短谐振腔长臂之后,当抽运功率为66 W时,获得了连续30 W的基模激光输出,光光转换效率为45.5%;在调Q状态下获得了脉冲重复频率在10-200 kHz的准连续输出,并对平均输出功率、脉冲宽度和峰值功率随脉冲重复频率的变化进行了详细的实验研究。在重复频率为10 kHz时,得到平均功率19.3 W,脉宽28 ns的基模输出,对应于单脉冲峰值功率为68.9 kW;在重复频率为100-200 kHz时,平均输出功率始终保持在27 W左右,脉冲宽度在50 ns左右。对谐振腔设计及实验现象做出了合理的分析,指出了进一步改进激光器设计从而获得更短脉冲宽度的方向。

实验研究了基于掺Yb³⁺单偏振大模场面积光子晶体光纤的高单脉冲能量光纤飞秒激光放大器。该放大器为非线性放大,利用自相位调制实现非线性相移得到光谱展宽。由于压缩器提供适当的色散补偿,并优化振荡放大系统中的增益、非线性、高阶色散参数,使得压缩后脉冲具有较高的峰值功率。同时利用声光调制器降低振荡级的重复频率到1 MHz,最后得到最短脉冲宽度124 fs,单脉冲能量1.56 μJ,对应峰值功率12.6 MW的激光输出。

报道了一台平均功率15.5 W,重复频率5 kHz的激光二极管(LD)抽运全固态589 nm黄光激光器。用声光调Q的LD抽运Nd:YAG固体激光器产生1064 nm与1319 nm的基频光,并在腔外通过两块LBO晶体和频产生589 nm黄光激光。为提高和频转换效率,对1064 nm与1319 nm基频光的功率配比及脉冲宽度进行了优化设计,并采用电子学延迟技术使二者在时域上同步。当1064 nm和1319 nm基频光总平均功率为140 W,匹配温度为43.5 ℃时,获得了15.5 W的589 nm激光输出,和频效率约11.1%,重复频率5 kHz,脉宽约110 ns。

以一台电激励连续波HF化学激光器作为研究平台,根据振荡阈值条件和Rigrod理论,并参考国外泛频HF激光器的腔镜参数,选取了适当的膜层反射率,最后使用镀有波段选择性膜的泛频腔镜进行了实验。光轴取在H2喷注孔下游1 mm处,得到了3.5 W的泛频HF激光,泛频效率为10%,谱线成分为P20(6)和P20(7);60 cm处的光斑尺寸为10 mm×7 mm,激光模式为TEM00。实现泛频输出的同时伴有少量的基频输出,主要是因为镜面膜层质量的限制,而镀膜的技术水平也是目前研究泛频HF激光器的主要难点之一。另外,在泛频出光的重复性实验中仅获得瓦级的基频输出,谱线成分为P2(3)和P2(4),主要原因为腔镜膜层的退化。

报道了980 nm高功率低发散角垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。通过增大阵列单元的出光孔径和单元间距来减小阵列器件的电阻和热阻,制作的台面为直径250 μm,氧化孔径200 μm,单元间距280 μm的4×4二维阵列,与有源区面积相同的单管器件相比具有更高的输出功率。在室温连续工作条件下,阵列在注入电流6 A时最高输出功率为1.81 W,阈值电流为1.2 A,斜率效率为0.37 W/A,微分电阻为0.01 Ω。针对较大的远场发散角对单元器件有源区中电流密度分布进行了计算,分析了器件高阶横模产生的原因。使用镀制额外金层的结构来改善远场发散角,将半角宽度由30°压缩到15°以下,改进后器件的输出功率略有下降。60 ℃恒电流模式寿命测试结果显示器件在800 h后输出功率衰减小于10%。