刘泽金院士谈“光剑”——高能半导体泵浦气体激光器

《中国激光》联合国防科技大学，组织策划 “中国激光·国防科技大学”专辑，以此打造特色“院校”专辑，集中展示国防科技大学激光领域最新科研进展，鼓励学科交叉融通。本专辑将于 2021年2月正式出版，敬请期待。

专辑遴选8篇代表作作为“亮点文章”。 本文来源于国防科技大学刘泽金院士。论文从宏观层面和物理基础的角度，对高能激光发展方向进行了建设性的讨论，提出并论证了半导体泵浦气体激光器是未来高能激光发展的重要方向。

从传说两千多年前阿基米德聚阳光之能烧毁帆船的“光武器”，到《星球大战》中绝地武士挥舞着“光剑”征战四方，古往今来，从科幻到现实，把光作为武器一直是人类孜孜不倦追寻的梦想。

然而，将梦想变为现实并不是一件轻而易举的事。直到上个世纪六十年代，激光的诞生，它极高的亮度、极好的单色性、极强的相干性让人们终于看到将光变成武器的希望—— 高能激光器作为“光武器”的“弹药仓”，自然也就成为实现这一梦想的关键。

一、“光武器”发展对激光器的六大需求

日常生活中各色各样的激光器琳琅满目，早已成为寻常百姓家随手可得的东西。然而真正能够在名字前面赋予“高能”二字的激光系统却屈指可数，究其原因，还要从高能激光器所必须具备的特点谈起。顾名思义，高能激光器必须首先具备高能/高功率。传统的固体激光器和光纤激光器受系统内部热效应的限制，其单路输出能力难以达到高能激光的入门门槛。

高能激光系统内部废热核心来源之一是量子亏损。在电子跃迁过程中，能级越复杂，电子就越有可能不小心“跳错台阶”，无法发出所需要的光子，进而产生废热。为不断减少量子亏损，提升量子效率，激光器增益介质的能级结构从原有的四能级不断演化到准二能级系统。然而，能级的简化又带来了高激发阈值的困难，传统的灯泵浦和电泵浦已难以满足需要。

为满足远距离的目标打击，高能激光还必须拥有高光束质量。此外，当考虑到能源供给和各种机动平台应用时，又产生了全电驱动、高功重比、高功体比的新要求。目前能够实现兆瓦级高光束质量单路输出的只有以气体为增益介质的化学激光器，然而这些激光器无不工作在低气压下，需要庞大的压力恢复系统将废气排出去，这就使得整个系统的体积重量居高不下。比如装载兆瓦级氧碘化学激光（COIL）的机载激光武器（ABL），其功重比仅为0.018 kW/kg，无法满足机载更高输出功率的要求。

总而言之，尽管将激光运用于武器的前景是如此可观，但围绕着 高能/高功率、高效率、高光束质量、高功重比、高功体比以及 全电驱动六大现实需求，高能激光器迈向“光武器”的路途必然又是充满艰难险阻的。

二、气体激光焕发新生机

进入21世纪以来，随着板条、光纤、盘片等高比表面积的散热结构创新应用，低产热增益介质的不断发展，半导体泵浦全固态激光器（ASSL）迅猛成长起来，至今全世界已建成了多套10 kW-100 kW战术激光武器演示系统。尽管固体激光器易实现全电驱动，并且结构紧凑，但高效散热问题一直是制约其进一步向更高功率迈进的“阿喀琉斯之踵”。对于固体激光而言，如果基质材料没有大的变革，高效热管理与高能激光所需的模体积就始终是一个矛盾。

那么有什么办法可以在兼顾全电驱动的紧凑结构，又能有效的解决散热的难题？

高能激光领域的科学家们众里寻他千百度，终于又把目光转回了气体增益介质。 高效散热问题早已在气动与化学激光身上得到了很好的解决：超音速横向气流快速排走废热的同时又提供了均匀性良好的大口径气相激光介质。

那么我们可否利用全电驱动的半导体激光紧凑地实现气体介质的高效泵浦呢？

首先，相比于固体介质来说， 气体介质的能级分立明晰，受环境影响很弱，因此只有利用特定波长的窄线宽激光才能实现对气体介质高效的选择性泵浦；另一方面， 气体介质中粒子数密度要远小于固体，为弥补气体介质的稀薄属性，实现紧凑型目标，需要找到具备大发光截面的气体介质。

然而，众所周知大功率半导体激光器的光谱特性要差的多。为了将全电驱动的半导体激光器用于高能气体激光器的光泵浦，也就自然的形成了两个发展方向： 一是寻找高峰值发光截面的介质，并同步适度压窄半导体激光的光谱；二是直接寻找或设计具有宽带吸收谱的气相介质。

围绕这两个目标，人们陆续提出多种新型高能半导体泵浦气体激光器架构：比如半导体泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）的增益介质具备高峰值发光截面；而碱金属-惰性气体准分子激光器（XPAL）、掺稀土离子纳米气体激光器（DPNGL）的增益介质则具有宽带吸收谱。

三、半导体与气体巧妙融合

“青箬笠，绿蓑衣，斜风细雨不须归”唐代诗人张志和在游览西塞山时用这样一句诗描绘渔翁与山水的自然融合。今天在我们面向高能激光器发展的未来时，半导体与气体介质就如同“青箬笠，绿蓑衣”与“斜风细雨”一般巧妙自然的融合在了一起，诞生出具有巨大前景的半导体泵浦气体激光器。

在这之中， 半导体泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）是一个颇具典型意义的应用代表。以铷原子蒸气为例：

首先，其5P 3/2 和5P 1/2 态分别作为泵浦和激光上能级，可以与基态5S 1/2 构成一个标准而简洁的准二能级系统，并且其泵浦波长为780 nm，恰好落在GaAs半导体激光谱段范围内。简洁的能级结构与高选择性的光泵浦从源头上保证了高效率以及低废热沉积。

其次，铷原子外层仅有一个单电子，激发态自发辐射寿命仅26 ns，对应极强的发光能力和高发光截面。在高发光截面条件下，极稀薄的碱金属原子（10 13 -10 14 cm -3 ）就足以支持DPAL的高效运转，这也正是DPAL实现高功重比、高功体比的基础。

最后，通过填充大气压级的惰性缓冲气体，不仅能促进粒子数在激发态之间的快速转移，又能通过碰撞均匀加宽实现半导体激光的高效吸收，还能够吸纳和排解DPAL运行中因量子亏损产生的废热累积。可以说DPAL将碱金属原子这一“天然原子”的天赋发挥到了极致。

另一方面， 掺稀土离子纳米气体激光器（DPNGL）的思想则实现了气体与固体在更高程度上的融合，尽管这一架构仍处于刚刚起步阶段，但它充分发挥了纳米颗粒这一“人工原子”的可设计性，实现了从被动选择激光介质到主动设计激光介质的转变，我们有理由也对它报以大的期望。

四、结语

回顾高能激光60年来曲折而辉煌的发展历程，科学家们一步步从理论走向实践，从实验原型走向工程应用。面向“光剑”发展的六大需求，我们欣然发现： 半导体激光与流动气体融合而生的半导体泵浦气体激光器，兼具紧凑型高效泵浦和有效热管理的优势，将成为未来铸就“光剑”的重要方向。