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上海硅酸盐所在激光陶瓷方向取得系列研究进展

日期: 2024-03-19
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来源:上海硅酸盐研究所


随着高功率固体激光器的不断发展,对激光输出功率的需求不断提高。在高功率泵浦模式下,热效应限制了增益元件内部耗散的功率密度,限制了固体激光器向更高功率的发展。对于板条状激光增益介质,通过设计合适的复合结构可以在较小程度甚至不增加激光器体积和复杂程度的前提下,提高激光增益介质的热管理能力,从而提高激光器的功率、效率以及光束质量。近期,中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员带领透明与光功能陶瓷团队在复合结构Yb:YAG激光陶瓷领域取得重要进展。均质的Yb:YAG陶瓷板条在双端泵浦时材料内部的吸收泵浦功率密度由两端向中心逐渐降低,因此板条长度方向的中心不能实现充分泵浦,并且会导致增益介质的温度分布不均匀。针对上述问题,该研究团队采用流延成型和真空烧结技术制备了双浓度梯度掺杂结构Yb:YAG透明陶瓷增益介质,并与中国电子科技集团公司第十一研究所合作实现了1030 nm处总能量为3.43 J的激光输出,斜率效率为45%(J. Am. Ceram. Soc., 2023, 16: 2309-2316)。

为了进一步提升透明陶瓷增益介质的散热能力,优化其激光性能,研究团队设计并制备了表层增益型Yb:YAG激光陶瓷,该复合结构兼具板条和薄片激光器的优势,能够大大提升陶瓷增益介质的散热能力。采用表层增益型Yb:YAG透明陶瓷,实现了1030.5nm处输出能量为1.9 J的低重频脉冲激光输出,斜率效率为31.1%(J. Am. Ceram. Soc., 2023, 106: 3550-3556)。上述两篇论文的第一作者为上海硅酸盐所毕业博士研究生田丰,通讯作者为李江研究员。

对于盘片状激光增益介质,可以通过增加增益元件的表面积增强散热,降低热效应。然而,由于增益元件的横纵比变大,在横向上的增益长度积可能达到振荡阈值,横向于主光束传播的放大自发发射会耗尽上层激光能级,并导致不必要的寄生振荡,阻止主发射模式的激光。自发辐射放大和寄生振荡效应的产生会造成增益的下降和增益均匀性的破坏。因此,减少增益介质边缘的内反射以抑制寄生振荡效应非常重要。目前,在增益介质的侧面进行包边结构设计是抑制横向内反射和提高激光性能最主流且有效的方法。Sm:YAG透明陶瓷在1064 nm处的吸收系数大,在808 nm处的理论透过率高,与Nd:YAG透明陶瓷的折射率匹配良好,并且容易实现复杂形状的制备,因此Sm:YAG透明陶瓷是大口径Nd:YAG激光陶瓷的优良的包边材料。包边复合结构Sm:YAG/Nd:YAG透明陶瓷能够有效地抑制寄生振荡,减少放大的自发辐射,实现陶瓷激光器向更高功率、更高效率发展。研究团队采用真空烧结结合HIP后处理技术制备了808nm处直线透过率达83.6%(理论值)、1064nm处吸收系数为3.32 cm-1的Sm:YAG透明陶瓷,能够有效地吸收横向自发辐射,抑制高功率Nd:YAG陶瓷激光器中的寄生振荡效应(Opt. Mater., 2023, doi: 10.1016/j.optmat.2023.114681)。该论文的第一作者为上海硅酸盐所博士研究生荆延秋,通讯作者为李江研究员。

在Yb:YAG激光陶瓷中,引入半径相近的其他离子对十二面格位的Y3+以及八面体/四面体格位的Al3+进行部分取代会造成激活离子配位晶体场的畸变,引起激活离子光谱的展宽,更有利于宽带可调谐以及脉冲激光的生成。研究团队采用真空烧结结合HIP后处理技术成功制备了高质量的10at.%Yb:GdxY3-xAl5O12(x=0.3、0.5和0.7)透明陶瓷,并与意大利国立光学系统研究所和意大利国立应用物理研究所合作,实现了高效准连续(QCW)激光输出。当x=0.3、0.5和0.7时,10at.%Yb:GdxY3-xAl5O12透明陶瓷的最大激光输出功率分别为7.8、7.7和6.6W(报道最大激光输出功率),相应的斜率效率分别为46.2%、44.7%和39.2%(J. Am. Ceram. Soc., 2024, doi: 10.1111/jace.19711)。该论文的第一作者为上海硅酸盐所毕业博士研究生冯亚刚,通讯作者为李江研究员。

基质材料决定了增益介质的物化性能,对于高功率激光基质材料而言,高的热导率是最重要的性能之一。Lu2O3比YAG具有更高的热导率,但其单晶熔点高达2490oC,这使得现有技术难以制备出高质量、大尺寸的Lu2O3单晶,而利用陶瓷制备方法可以在较低的烧结温度下获得高光学质量的Lu2O3透明陶瓷。此外,由于Yb3+与Lu3+离子半径和原子质量非常接近,Yb:Lu2O3声子能量低,且热导率随着Yb3+的掺杂浓度升高变化不大,因此高质量的Yb:Lu2O3透明陶瓷被认为是一种极具发展潜力的高功率固体激光增益介质。研究团队采用改良的共沉淀法合成单分散的Yb:Lu2O3纳米粉体,然后采用真空烧结结合HIP后处理技术制备了激光发射波长处直线透过率为81.5%、室温热导率为12.8 W·m-1·K-1的5at% Yb:Lu2O3透明陶瓷。采用合适的空气退火工艺,有效消除了Yb:Lu2O3透明陶瓷中的氧空位,并避免压缩气孔的显著膨胀。通过与意大利国立光学系统研究所和意大利国立应用物理研究所合作,Yb:Lu2O3透明陶瓷实现了在1033 nm处斜率效率高达73.8%的准连续(QCW)激光输出(J. Am. Ceram. Soc., 2024, 107: 1974-1984)。该论文的第一作者为上海硅酸盐所毕业博士研究生刘子玉,通讯作者为李江研究员。



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