John Wallace

美國陸軍研究實驗室（ARL）的研究人員大幅度增強了碟片激光器功率放大器設計的冷卻性能，從而提升了功率。^[1]該放大器使得功率提升高達2.5倍，同時保持非常高的光束質(zhì)量。2010年他們曾經(jīng)獲得了12W的光學輸出；而新的研究結(jié)果實現(xiàn)了高達55W的光學輸出。

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%的占空比工作在準連續(xù)波（QCW）模式下。通過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荷減少，同時仍然具備與CW運行時相同的瞬時功率，且不會降低輸出光束質(zhì)量。

這些種類的光源用于加工、醫(yī)藥、非線性光學以及軍事應用，包括測距儀和指示器等一系列應用，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，進一步提升功率需要面對增益元件熱管理的額外復雜性，”ARL研究人員George Newburgh說，“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)設計的碟片激光器（TDL）提供先進的熱管理，但是它們的熱管理仍然受限于單面冷卻。”

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

該設計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。這個組件的導熱特性可以與銅媲美，能提供優(yōu)異的熱傳輸，且不與激光器的運行產(chǎn)生光干擾。

最小化機械應力

通過選擇釩酸釔（YVO₄）作為激光基質(zhì)，該緊湊型放大器還在設計上使SiC熱沉和增益介質(zhì)之間的機械應力最小化。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層不會發(fā)生剝離。

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

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

參考文獻：

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