John Wallace

美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）的研究人員大幅度增強(qiáng)了碟片激光器功率放大器設(shè)計(jì)的冷卻性能，從而提升了功率。^[1]該放大器使得功率提升高達(dá)2.5倍，同時(shí)保持非常高的光束質(zhì)量。2010年他們?cè)��?jīng)獲得了12W的光學(xué)輸出；而新的研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)了高達(dá)55W的光學(xué)輸出。

在主振蕩器功率放大器（MOPA）中，主振蕩器（種子激光）的功率可以提升至何種程度，本質(zhì)上受限于其所產(chǎn)生的熱量，以及激光器系統(tǒng)的冷卻能力。

限制放大器中生熱的一種方式是以小于100%的占空比工作在準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）模式下。通過(guò)脈沖化功率放大器的泵浦功率，泵浦和激光增益元件的整體熱負(fù)荷減少，同時(shí)仍然具備與CW運(yùn)行時(shí)相同的瞬時(shí)功率，且不會(huì)降低輸出光束質(zhì)量。

這些種類的光源用于加工、醫(yī)藥、非線性光學(xué)以及軍事應(yīng)用，包括測(cè)距儀和指示器等一系列應(yīng)用，但是它們的功率水平仍然受限于冷卻要求。

薄片形狀

“任何激光器系統(tǒng)都有其功率限制，進(jìn)一步提升功率需要面對(duì)增益元件熱管理的額外復(fù)雜性，”ARL研究人員George Newburgh說(shuō)，“相比于棒狀或板條激光器，由于具有更大的表面積與增益體積比，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的碟片激光器（TDL）提供先進(jìn)的熱管理，但是它們的熱管理仍然受限于單面冷卻。”

ARL的研究人員通過(guò)使用光學(xué)透明的熱沉，從而能夠?qū)υ鲆娼橘|(zhì)的兩側(cè)進(jìn)行冷卻，以解決冷卻問(wèn)題，將可能的功率放大范圍提升了2.5倍左右。

該設(shè)計(jì)采用了透明的單晶碳化硅（SiC）組件作為激射/泵浦側(cè)的熱沉，以及附在增益元件非激射側(cè)的通常銅熱沉。這個(gè)組件的導(dǎo)熱特性可以與銅媲美，能提供優(yōu)異的熱傳輸，且不與激光器的運(yùn)行產(chǎn)生光干擾。

最小化機(jī)械應(yīng)力

通過(guò)選擇釩酸釔（YVO₄）作為激光基質(zhì)，該緊湊型放大器還在設(shè)計(jì)上使SiC熱沉和增益介質(zhì)之間的機(jī)械應(yīng)力最小化。SiC和Nd：YVO₄的熱膨脹系數(shù)幾乎相同，使得放大器能在高溫下工作，且SiC和Nd：YVO₄層不會(huì)發(fā)生剝離。

伴隨著高質(zhì)量激光陶瓷（包括復(fù)合材料）的最新發(fā)展，以及可作為替代材料的高光學(xué)質(zhì)量透明材料（如氮化鎵和氧化鎂）的最近進(jìn)展，ARL的研究人員希望這一工作將鼓勵(lì)更多使用具有高熱導(dǎo)率的透明材料的研究與開(kāi)發(fā)。

在短期內(nèi)，筆者認(rèn)為該設(shè)計(jì)幾乎可以立即應(yīng)用于混合光纖/塊體固態(tài)MOPA系統(tǒng)中的納秒級(jí)脈沖放大的功率放大器，以滿足高脈沖能量的要求，其中光纖放大器嚴(yán)重受限于受激布里淵散射。

參考文獻(xiàn)：

1.     G. A. Newburgh and M. Dubinskii, Electronics Letters (2014); doi: 10.1049/el.2014.1900