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香山科學會議上，專家提出—— 以材料發展促激光產業變革

文章來源：科技日報更新時間：2023-10-24 14:16:41

固體高功率和短波激光是滿足國家重大戰略需求、支撐國民經濟發展的‘國之重器’，是科技基礎前沿、高端制造業發展的‘動力源泉’。”在10月14日—15日舉行的香山科學會議第754次學術討論會上，會議執行主席、中國科學院大學教授樊仲維如是說。

　　我國以非線性光學晶體、激光晶體為代表的人工晶體處于國際領先地位，是我國發展固體激光技術和激光產業的優勢所在。我國激光產業從晶體材料到激光器再到應用技術的全鏈條逐步發展完整，然而，整個激光行業仍存在需要解決的科學問題，我國也依然面臨著亟須突破的技術難題。

　　此次會議上，與會專家圍繞長期制約固體高功率和短波激光發展的主要問題開展基礎理論和新方法研討，梳理固體高功率和短波激光器實現高功率和高效率工作的新途徑，優化完善我國固體高功率和短波激光技術發展路線圖，為我國自主發展高功率激光以及短波光源提供有力的技術支撐。

　　尋找“超熱導”激光介質材料

　　激光功率增加的過程總是伴隨著熱能，而熱能往往無用且有害。“激光的本質是微觀粒子的有序運動，而熱是微觀粒子的無序運動，高功率激光的發展史就是一部與廢熱斗爭的歷史。”國防科技大學教授許曉軍說。

　　激光的產生必須選擇合適的增益介質。對增益介質產生的廢熱進行熱管理是高功率激光行業普遍面臨的難題。要解決這一問題，一方面可以通過選擇摻雜離子減少量子虧損，另一方面可以提升增益介質的散熱能力。

　　在熱量傳輸的過程中，增益介質材料的熱導率是最為關鍵的物理參數。在目前所用的激光增益介質材料中，玻璃材料的熱導率較低，晶體材料如常用的YAG由于其有序的周期性結構而熱導率較高。

　　選擇高熱導率的晶體作為激光增益介質材料，是發展超高熱導率激光材料的思路之一。與會專家介紹，金剛石是目前已發現的熱導率最高的固態物質。同時研究發現，具有高熱導率的材料的晶體結構主要為金剛石型或類金剛石型，其室溫熱導率較目前常用的激光增益介質材料高約2個數量級，金剛石有潛力成為“終極”激光增益介質材料，且已用于擴展波段、承載大功率的拉曼晶體（利用受激拉曼散射這種非線性光學效應來實現激光頻率轉換的晶體）。

　　高熱導率使得金剛石基器件可以實現高功率工作而無需過分擔心散熱問題，具有優異光學和熱學性能的金剛石有望實現大功率激光技術的跨越式發展。目前，我國已開始金剛石基大功率激光增益介質的初步探索，并實現將稀土釹離子摻入金剛石晶體。

　　但基于金剛石等晶體的激光增益介質材料仍存在兩大研制難題。一方面這些材料熔點高，難以通過成熟的熔體法生長，其晶體的大尺寸制備本身存在困難；另一方面，材料組成的離子半徑小，與稀土或過渡族金屬離子的離子半徑差異大，激活離子難以摻入，導致摻雜濃度極低，不具備使用價值。

　　1911年，荷蘭物理學家海克·卡末林發現了超導現象，即導體在某一溫度下電阻為零的狀態。超導體的發現，有望解決電力傳輸過程中的廢熱損耗問題。樊仲維表示，受超導現象的啟發，未來如果能夠發現“超熱導”激光增益介質材料，就能實現激光熱量的瞬態散逸，徹底解決激光器的廢熱問題。

　　破解激光調控元件輻照損傷難題

　　在高功率激光系統中，有數量巨大、種類繁多的光學元件對激光光束進行時空調控，典型元件包括光學透鏡、反射鏡、偏振器件和光柵等。這些光學元件在激光輻照下的損傷問題直接影響著激光系統輸出功率的提升。樊仲維表示，目前，研究人員主要通過優化基質材料、提升材料處理工藝等方式提高元件的抗損傷能力，進而提升我國高功率激光器輸出水平。

　　同濟大學教授王占山介紹，在材料優化方面，熔石英因其硬度高、彈性模量大、熱膨脹系數高、耐高溫、化學性能穩定，在大光譜范圍內具有優異的透射性能和抗強激光損傷能力，是目前高功率激光系統中大口徑光學元件選用的主要材料。

　　在提升材料處理工藝方面，激光調控元件表面通常鍍有高損傷閾值薄膜，可通過加鍍保護層和緩沖層、摻雜光學材料、對薄膜表面進行微結構處理等方法來提高薄膜的抗損傷能力。另外，已有實踐表明，用低于光學元件損傷閾值的激光對元件表面進行預處理，也可以有效提高元件的抗損傷能力。

　　樊仲維表示，在重大工程的牽引下，我國在若干種類光學調控器件抗損傷技術方面已達到國際先進水平，但目前在技術推廣應用方面還有待提高。開展標準化技術研究，通過產學研用合作，將已經形成的技術工藝進行固化和規范，形成系列標準，在有效保護知識產權的基礎上進行應用推廣，將有利于國內整體行業水平的提升。

　　保持傳統晶體材料優勢的同時實現再突破

　　紫外/深紫外等短波長激光因具有波長短、光子能量高等特點，可以用于非常精確的材料加工，使熱影響區最小。還可引發光化學作用，直接導致材料化學鍵斷裂、重組，生成新物質，在時間、空間、能量分辨率和自旋分辨上具有明顯優勢，在諸多領域有重要應用價值。

　　“目前，以高功率可見、近紅外全固態激光為基頻光源，通過非線性光學晶體的多級變頻技術產生深紫外激光的非線性光學晶體變頻方案，是獲取實用深紫外激光光源的有效途徑。”樊仲維介紹。

　　20世紀八九十年代，我國著名材料學家陳創天院士帶領團隊運用陰離子基團理論，預測無機晶體數據庫中的KBBF是一種優秀的深紫外非線性光學晶體。此后該團隊聯合眾多科學家在激光測試和晶體生長方面取得突破，使我國在深紫外KBBF晶體生長方面國際領先，也使中國成為世界上唯一能研制實用化深紫外全固態激光器的國家。

　　與此同時，深紫外全固態激光器研究仍存在倍頻晶體單一、生長尺寸小、轉換效率低等問題。一方面，研究人員在繼續探索晶體生長工藝以及非線性光學性能超越KBBF的新晶體；另一方面，也在嘗試開發基于深紫外全固態激光源的先進儀器，將我國在短波晶體方面的優勢拓展到器件及集成系統方面。

　　隨著應用領域的不斷擴展，實現高功率、大能量、高效率及性能精密調控成為紫外/深紫外激光發展的必然趨勢。研制具有自主知識產權、高轉換效率、無層狀生長習性的優質變頻晶體，實現短波長激光輸出，成為當前深紫外全固態激光技術的重要發展領域。

　　在保持我國傳統晶體優勢的基礎上，研究者們希望探索出制備高效紫外/深紫外激光材料的新思路。中國科學院新疆理化技術研究所研究員潘世烈介紹，我國提出了全波段相位匹配新思路及氟化設計策略，并成功研制了新型非線性光學晶體GFB及系列新型氟化硼酸鹽深紫外非線性光學晶體。未來科研人員還有望在人工智能+數據新范式驅動下實現新材料的精準預測設計、基于自動化生長技術開發大尺寸晶體生長，在光學性能和尺寸等方面突破紫外/深紫外晶體材料的研究極限。

　　與會專家建議，在目前通過近紅外波段多次倍頻產生紫外光源的基礎上，重視發展可見光波段的泵浦光源和激光晶體，是高效產生紫外光源的創新方式。樊仲維認為，能否借鑒超材料相關技術，提高光學器件對極紫外波段的調控能力也是一個有待探索的技術問題。

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