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香山科学会议上，专家提出—— 以材料发展促激光产业变革

文章来源：科技日报更新时间：2023-10-24 14:16:41

固体高功率和短波激光是满足国家重大战略需求、支撑国民经济发展的‘国之重器’，是科技基础前沿、高端制造业发展的‘动力源泉’。”在10月14日—15日举行的香山科学会议第754次学术讨论会上，会议执行主席、中国科学院大学教授樊仲维如是说。

　　我国以非线性光学晶体、激光晶体为代表的人工晶体处于国际领先地位，是我国发展固体激光技术和激光产业的优势所在。我国激光产业从晶体材料到激光器再到应用技术的全链条逐步发展完整，然而，整个激光行业仍存在需要解决的科学问题，我国也依然面临着亟须突破的技术难题。

　　此次会议上，与会专家围绕长期制约固体高功率和短波激光发展的主要问题开展基础理论和新方法研讨，梳理固体高功率和短波激光器实现高功率和高效率工作的新途径，优化完善我国固体高功率和短波激光技术发展路线图，为我国自主发展高功率激光以及短波光源提供有力的技术支撑。

　　寻找“超热导”激光介质材料

　　激光功率增加的过程总是伴随着热能，而热能往往无用且有害。“激光的本质是微观粒子的有序运动，而热是微观粒子的无序运动，高功率激光的发展史就是一部与废热斗争的历史。”国防科技大学教授许晓军说。

　　激光的产生必须选择合适的增益介质。对增益介质产生的废热进行热管理是高功率激光行业普遍面临的难题。要解决这一问题，一方面可以通过选择掺杂离子减少量子亏损，另一方面可以提升增益介质的散热能力。

　　在热量传输的过程中，增益介质材料的热导率是最为关键的物理参数。在目前所用的激光增益介质材料中，玻璃材料的热导率较低，晶体材料如常用的YAG由于其有序的周期性结构而热导率较高。

　　选择高热导率的晶体作为激光增益介质材料，是发展超高热导率激光材料的思路之一。与会专家介绍，金刚石是目前已发现的热导率最高的固态物质。同时研究发现，具有高热导率的材料的晶体结构主要为金刚石型或类金刚石型，其室温热导率较目前常用的激光增益介质材料高约2个数量级，金刚石有潜力成为“终极”激光增益介质材料，且已用于扩展波段、承载大功率的拉曼晶体（利用受激拉曼散射这种非线性光学效应来实现激光频率转换的晶体）。

　　高热导率使得金刚石基器件可以实现高功率工作而无需过分担心散热问题，具有优异光学和热学性能的金刚石有望实现大功率激光技术的跨越式发展。目前，我国已开始金刚石基大功率激光增益介质的初步探索，并实现将稀土钕离子掺入金刚石晶体。

　　但基于金刚石等晶体的激光增益介质材料仍存在两大研制难题。一方面这些材料熔点高，难以通过成熟的熔体法生长，其晶体的大尺寸制备本身存在困难；另一方面，材料组成的离子半径小，与稀土或过渡族金属离子的离子半径差异大，激活离子难以掺入，导致掺杂浓度极低，不具备使用价值。

　　1911年，荷兰物理学家海克·卡末林发现了超导现象，即导体在某一温度下电阻为零的状态。超导体的发现，有望解决电力传输过程中的废热损耗问题。樊仲维表示，受超导现象的启发，未来如果能够发现“超热导”激光增益介质材料，就能实现激光热量的瞬态散逸，彻底解决激光器的废热问题。

　　破解激光调控元件辐照损伤难题

　　在高功率激光系统中，有数量巨大、种类繁多的光学元件对激光光束进行时空调控，典型元件包括光学透镜、反射镜、偏振器件和光栅等。这些光学元件在激光辐照下的损伤问题直接影响着激光系统输出功率的提升。樊仲维表示，目前，研究人员主要通过优化基质材料、提升材料处理工艺等方式提高元件的抗损伤能力，进而提升我国高功率激光器输出水平。

　　同济大学教授王占山介绍，在材料优化方面，熔石英因其硬度高、弹性模量大、热膨胀系数高、耐高温、化学性能稳定，在大光谱范围内具有优异的透射性能和抗强激光损伤能力，是目前高功率激光系统中大口径光学元件选用的主要材料。

　　在提升材料处理工艺方面，激光调控元件表面通常镀有高损伤阈值薄膜，可通过加镀保护层和缓冲层、掺杂光学材料、对薄膜表面进行微结构处理等方法来提高薄膜的抗损伤能力。另外，已有实践表明，用低于光学元件损伤阈值的激光对元件表面进行预处理，也可以有效提高元件的抗损伤能力。

　　樊仲维表示，在重大工程的牵引下，我国在若干种类光学调控器件抗损伤技术方面已达到国际先进水平，但目前在技术推广应用方面还有待提高。开展标准化技术研究，通过产学研用合作，将已经形成的技术工艺进行固化和规范，形成系列标准，在有效保护知识产权的基础上进行应用推广，将有利于国内整体行业水平的提升。

　　保持传统晶体材料优势的同时实现再突破

　　紫外/深紫外等短波长激光因具有波长短、光子能量高等特点，可以用于非常精确的材料加工，使热影响区最小。还可引发光化学作用，直接导致材料化学键断裂、重组，生成新物质，在时间、空间、能量分辨率和自旋分辨上具有明显优势，在诸多领域有重要应用价值。

　　“目前，以高功率可见、近红外全固态激光为基频光源，通过非线性光学晶体的多级变频技术产生深紫外激光的非线性光学晶体变频方案，是获取实用深紫外激光光源的有效途径。”樊仲维介绍。

　　20世纪八九十年代，我国著名材料学家陈创天院士带领团队运用阴离子基团理论，预测无机晶体数据库中的KBBF是一种优秀的深紫外非线性光学晶体。此后该团队联合众多科学家在激光测试和晶体生长方面取得突破，使我国在深紫外KBBF晶体生长方面国际领先，也使中国成为世界上唯一能研制实用化深紫外全固态激光器的国家。

　　与此同时，深紫外全固态激光器研究仍存在倍频晶体单一、生长尺寸小、转换效率低等问题。一方面，研究人员在继续探索晶体生长工艺以及非线性光学性能超越KBBF的新晶体；另一方面，也在尝试开发基于深紫外全固态激光源的先进仪器，将我国在短波晶体方面的优势拓展到器件及集成系统方面。

　　随着应用领域的不断扩展，实现高功率、大能量、高效率及性能精密调控成为紫外/深紫外激光发展的必然趋势。研制具有自主知识产权、高转换效率、无层状生长习性的优质变频晶体，实现短波长激光输出，成为当前深紫外全固态激光技术的重要发展领域。

　　在保持我国传统晶体优势的基础上，研究者们希望探索出制备高效紫外/深紫外激光材料的新思路。中国科学院新疆理化技术研究所研究员潘世烈介绍，我国提出了全波段相位匹配新思路及氟化设计策略，并成功研制了新型非线性光学晶体GFB及系列新型氟化硼酸盐深紫外非线性光学晶体。未来科研人员还有望在人工智能+数据新范式驱动下实现新材料的精准预测设计、基于自动化生长技术开发大尺寸晶体生长，在光学性能和尺寸等方面突破紫外/深紫外晶体材料的研究极限。

　　与会专家建议，在目前通过近红外波段多次倍频产生紫外光源的基础上，重视发展可见光波段的泵浦光源和激光晶体，是高效产生紫外光源的创新方式。樊仲维认为，能否借鉴超材料相关技术，提高光学器件对极紫外波段的调控能力也是一个有待探索的技术问题。

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