超强超短激光的出现与迅猛发展，为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段。超强超短激光在激光加速、激光聚变、等离子体物理、天体物理、高能物理、材料科学、核医学科学等领域具有重大的应用价值[1]。 超强超短激光系统的核心增益介质是钛宝石晶体。它迄今仍是超快激光产生及光放大性能最优良的材料。 2016年，中国科学院上海光机所承担了由国家和上海市发展改革委员会共同投资的国家重大科技基础设施项目“上海超强超短激光实验装置”（Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility，SULF）。项目启动后，当年8月，在原有的钛宝石激光装置工作基础上，在采用大口径光栅的情况下，脉冲宽度压缩至24 fs，实现了5 PW激光输出。 2017年10月首次实现300 焦耳以上能量的宽带激光放大输出，最高峰值功率在10 PW以上，达到国际领先水平[2]。

为了获得大能量光输出，超强超短激光系统需要大尺寸的钛宝石晶体，并对光学质量有极高要求。 中国科学院上海光机所杭寅课题组经过多年努力研制成功大型热交换法（HEM）生长炉，见图1。并优化温场设计、调控激活离子浓度、完善生长工艺，获得了全球最大尺寸（φ235 mm）的钛宝石晶体[3]，如图2。在该晶体上成功实现了10.3 PW最高峰值功率输出。

图1 上海光机所研发的热交换法生长大尺寸钛宝石晶体设备[4]

图2 热交换法生长的大尺寸钛宝石晶体元件（φ235 mm×72 mm）[3]

SULF对超强超短激光有更高的要求——100 PW，新的目标不仅需要更大尺寸的晶体，对晶体光学质量也有更严苛的要求，特别是更高的品质因素（FOM），以及进一步降低晶体自吸收[4]。 除了应用于诸如SULF等大科学工程的大型超强超短激光装置之外，市场对小型、经济、稳定的全固态超强超短激光器件也有强烈的需求。其中的关键科学问题是：该激光材料能否以激光二极管（LD）直接泵浦的形式获得高效率、高功率的激光输出？ 令人遗憾的是，这正是钛宝石激光器的不足之处：现有的钛宝石激光器多采用532 nm倍频光、Ar激光或闪光灯泵浦，体积大、效率低、价格高。目前，它尚难以以LD直接泵浦的形式制成紧凑、高效的激光器件。 钛宝石晶体的激发带在蓝绿光区（400~600 nm），光学损耗高。而且，蓝绿光区LD的输出性能也远低于红外LD。因此，LD直接泵浦钛宝石激光器的实际水平，低于人们的预期。 而Nd:YVO4、Yb:YAG等激光晶体的激发谱带都在近红外区（~1 μm），经过多年发展，使用这些激光材料的DPSSL（LD泵浦的固体激光器）技术上已十分成熟，光-光转换效率在50%以上。

为解决这一问题，近年来，高钛浓度钛宝石晶体引起人们的关注。因为在这些晶体中观察到一些新的光学现象，如可见光区残余光吸收（300~550 nm）[5]、间隙Ti3+离子发光中心[6]等，这反映出晶体内部因激活离子浓度改变所引起的缺陷结构的变化。重要的是，钛宝石晶体激发谱带的改变，考虑到LD泵浦方式的灵活和多样性，两者的结合能否在一定程度上改进LD直接泵浦钛宝石激光器的性能？ 综上所述，无论是用于大科学工程的超大尺寸钛宝石晶体，或者是应用于紧凑型器件的中、小尺寸晶体，这两方面的问题都与晶体中的缺陷状况有密切关系。 事实上，Ti:Al2O3熔点高，Ti3+在晶体中的分凝系数很小，离子半径相差大，Ti3+离子的价态控制以及易于耦合成对的倾向，这些因素使得生长低缺陷密度、高光学质量的钛宝石激光晶体至今仍然是一项富有挑战性的艰巨任务！

2009年，Roth报导了第一台以GaN LD直接泵浦的钛宝石激光器[7]。 最近，Coyle对十年来的发展做了个小结[8]，他认为，LD直接泵浦钛宝石激光器正在取得进展，包括应使用绿光而不是蓝光进行泵浦；采取Kerr棱镜锁模、频率梳、再生放大器等超快激光技术等。特别是近年来在激光显示技术市场的推动下，蓝绿光InGaN激光二极管的性能和商品化正在快速取得进展，从而更容易以合理的价格得到高亮度、高光束质量的蓝绿激光二极管。所以，LD直接泵浦钛宝石激光器将会有光明的发展前景。

图3为LD泵浦钛宝石激光器示意图，包括实际运转时对材料参数和泵浦条件的要求。图4为LD泵浦钛宝石激光器。事实上，虽然LD直接泵浦钛宝石激光器的性能目前尚不完美，但它却被早早启动了商业应用的进程。

图3 LD泵浦钛宝石激光示意图[8]（σ为发射截面，τ为荧光寿命。Ti:Al2O3晶体长度1 cm，Ti 浓度0.1 wt%）

图4 LD泵浦钛宝石激光器[8]

2017年，美国KMLabs公司发布了一款新产品——飞秒钛宝石再生放大器Wyvern系列，其核心部件为一台LD直接泵浦钛宝石激光器，以一支平价的4瓦蓝光LD作为泵浦源。产生脉冲宽小于15 fs的激光脉冲，平均功率为150 mW，脉冲能量2 nJ，重复频率78 MHz，光束质量M2<1.2。它可以应用于激光放大器诸如材料研究、飞秒化学、太赫兹波生成、超快成像、双光子聚合等等[9]。 图5为美国KMLabs的蓝激光二极管直接泵浦的钛宝石激光器。从技术上说，这件事是钛宝石激光器发展过程中的一个重要节点，虽然多少有点出人意料，但这正说明市场对于紧凑型超快激光器有着十分迫切的需求。这可能蕴含着很大的商机，应该引起国内光电子领域业界的重视。

最近几年，国内对于LD直接泵浦钛宝石激光器的关注正在逐步增加。继中科院西安光机所（2017年[10]和华中科技大学（2017年）[11]之后，西安电子科技大学和中科院物理所也报导了一种二极管泵浦克尔透镜锁模钛蓝宝石激光器（2019年）[12]。这些研究的目标是努力缩小LD直接泵浦钛宝石激光器和倍频光泵浦钛宝石激光器之间的差距。

图5 美国KMLabs公司的蓝激光二极管直接泵浦的钛宝石激光器[9]

总体来看，虽然国内在这一领域的研究起步稍晚于国外，但已经表现出相当的水平和实力。与此同时，如果国内一些有实力的激光器制造商能及时加入到这一起步不久的新兴领域，相信一定会创造同样辉煌的业绩，并在国际上占得一席之地。