隨著高功率固體激光器的不斷發(fā)展，對(duì)激光輸出功率的需求不斷提高。在高功率泵浦模式下，熱效應(yīng)限制了增益元件內(nèi)部耗散的功率密度，限制了固體激光器向更高功率的發(fā)展。對(duì)于板條狀激光增益介質(zhì)，通過設(shè)計(jì)合適的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以在較小程度甚至不增加激光器體積和復(fù)雜程度的前提下，提高激光增益介質(zhì)的熱管理能力，從而提高激光器的功率、效率以及光束質(zhì)量。近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江研究員帶領(lǐng)透明與光功能陶瓷團(tuán)隊(duì)在復(fù)合結(jié)構(gòu)Yb:YAG激光陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。均質(zhì)的Yb:YAG陶瓷板條在雙端泵浦時(shí)材料內(nèi)部的吸收泵浦功率密度由兩端向中心逐漸降低，因此板條長度方向的中心不能實(shí)現(xiàn)充分泵浦，并且會(huì)導(dǎo)致增益介質(zhì)的溫度分布不均勻。針對(duì)上述問題，該研究團(tuán)隊(duì)采用流延成型和真空燒結(jié)技術(shù)制備了雙濃度梯度摻雜結(jié)構(gòu)Yb:YAG透明陶瓷增益介質(zhì)，并與中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所合作實(shí)現(xiàn)了1030 nm處總能量為3.43 J的激光輸出，斜率效率為45%（J. Am. Ceram. Soc., 2023, 16: 2309-2316）。

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梯度摻雜Yb:YAG激光陶瓷的實(shí)物照片（a）退火前；（b）退火后

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不同泵浦吸收能量下梯度摻雜Yb:YAG陶瓷的（a）激光輸出能量和（b）光-光轉(zhuǎn)換效率

為了進(jìn)一步提升透明陶瓷增益介質(zhì)的散熱能力，優(yōu)化其激光性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了表層增益型Yb:YAG激光陶瓷，該復(fù)合結(jié)構(gòu)兼具板條和薄片激光器的優(yōu)勢，能夠大大提升陶瓷增益介質(zhì)的散熱能力。采用表層增益型Yb:YAG透明陶瓷，實(shí)現(xiàn)了1030.5nm處輸出能量為1.9 J的低重頻脈沖激光輸出，斜率效率為31.1%（J. Am. Ceram. Soc., 2023, 106:?3550-3556）。上述兩篇論文的第一作者為上海硅酸鹽所畢業(yè)博士研究生田豐，通訊作者為李江研究員。

表層增益Yb:YAG陶瓷的激光裝置示意圖

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不同泵浦能量下表層增益Yb:YAG激光陶瓷的（a）吸收能量和吸收效率和（b）輸出能量和光-光轉(zhuǎn)換效率

對(duì)于盤片狀激光增益介質(zhì)，可以通過增加增益元件的表面積增強(qiáng)散熱，降低熱效應(yīng)。然而，由于增益元件的橫縱比變大，在橫向上的增益長度積可能達(dá)到振蕩閾值，橫向于主光束傳播的放大自發(fā)發(fā)射會(huì)耗盡上層激光能級(jí)，并導(dǎo)致不必要的寄生振蕩，阻止主發(fā)射模式的激光。自發(fā)輻射放大和寄生振蕩效應(yīng)的產(chǎn)生會(huì)造成增益的下降和增益均勻性的破壞。因此，減少增益介質(zhì)邊緣的內(nèi)反射以抑制寄生振蕩效應(yīng)非常重要。目前，在增益介質(zhì)的側(cè)面進(jìn)行包邊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是抑制橫向內(nèi)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處的吸收系數(shù)大，在808 nm處的理論透過率高，與Nd:YAG透明陶瓷的折射率匹配良好，并且容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的制備，因此Sm:YAG透明陶瓷是大口徑Nd:YAG激光陶瓷的優(yōu)良的包邊材料。包邊復(fù)合結(jié)構(gòu)Sm:YAG/Nd:YAG透明陶瓷能夠有效地抑制寄生振蕩，減少放大的自發(fā)輻射，實(shí)現(xiàn)陶瓷激光器向更高功率、更高效率發(fā)展。研究團(tuán)隊(duì)采用真空燒結(jié)結(jié)合HIP后處理技術(shù)制備了808nm處直線透過率達(dá)83.6%（理論值）、1064nm處吸收系數(shù)為3.32 cm^-1的Sm:YAG透明陶瓷，能夠有效地吸收橫向自發(fā)輻射，抑制高功率Nd:YAG陶瓷激光器中的寄生振蕩效應(yīng)（Opt. Mater., 2023, doi: 10.1016/j.optmat.2023.114681）。該論文的第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生荊延秋，通訊作者為李江研究員。

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不同助劑添加量下Sm:YAG透明陶瓷的（a）實(shí)物照片、（b）直線透過率曲線和（c）吸收光譜

在Yb:YAG激光陶瓷中，引入半徑相近的其他離子對(duì)十二面格位的Y³⁺以及八面體/四面體格位的Al³⁺進(jìn)行部分取代會(huì)造成激活離子配位晶體場的畸變，引起激活離子光譜的展寬，更有利于寬帶可調(diào)諧以及脈沖激光的生成。研究團(tuán)隊(duì)采用真空燒結(jié)結(jié)合HIP后處理技術(shù)成功制備了高質(zhì)量的10at.%Yb:Gd_xY_3-xAl₅O₁₂（x=0.3、0.5和0.7）透明陶瓷，并與意大利國立光學(xué)系統(tǒng)研究所和意大利國立應(yīng)用物理研究所合作，實(shí)現(xiàn)了高效準(zhǔn)連續(xù)（QCW）激光輸出。當(dāng)x=0.3、0.5和0.7時(shí)，10at.%Yb:Gd_xY_3-xAl₅O₁₂透明陶瓷的最大激光輸出功率分別為7.8、7.7和6.6W（報(bào)道最大激光輸出功率），相應(yīng)的斜率效率分別為46.2%、44.7%和39.2%（J. Am. Ceram. Soc., 2024, doi: 10.1111/jace.19711）。該論文的第一作者為上海硅酸鹽所畢業(yè)博士研究生馮亞剛，通訊作者為李江研究員。

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10at%Yb:Gd_xY_3-xAl₅O₁₂透明陶瓷的（a）直線透過率曲線和（b）x=0.3時(shí)的激光性能

基質(zhì)材料決定了增益介質(zhì)的物化性能，對(duì)于高功率激光基質(zhì)材料而言，高的熱導(dǎo)率是最重要的性能之一。Lu₂O₃比YAG具有更高的熱導(dǎo)率，但其單晶熔點(diǎn)高達(dá)2490^oC，這使得現(xiàn)有技術(shù)難以制備出高質(zhì)量、大尺寸的Lu₂O₃單晶，而利用陶瓷制備方法可以在較低的燒結(jié)溫度下獲得高光學(xué)質(zhì)量的Lu₂O₃透明陶瓷。此外，由于Yb³⁺與Lu³⁺離子半徑和原子質(zhì)量非常接近，Yb:Lu₂O₃聲子能量低，且熱導(dǎo)率隨著Yb³⁺的摻雜濃度升高變化不大，因此高質(zhì)量的Yb:Lu₂O₃透明陶瓷被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母吖β使腆w激光增益介質(zhì)。研究團(tuán)隊(duì)采用改良的共沉淀法合成單分散的Yb:Lu2O3納米粉體，然后采用真空燒結(jié)結(jié)合HIP后處理技術(shù)制備了激光發(fā)射波長處直線透過率為81.5%、室溫?zé)釋?dǎo)率為12.8 W?m^-1?K^-1的5at% Yb:Lu₂O₃透明陶瓷。采用合適的空氣退火工藝，有效消除了Yb:Lu₂O₃透明陶瓷中的氧空位，并避免壓縮氣孔的顯著膨脹。通過與意大利國立光學(xué)系統(tǒng)研究所和意大利國立應(yīng)用物理研究所合作，Yb:Lu₂O₃透明陶瓷實(shí)現(xiàn)了在1033 nm處斜率效率高達(dá)73.8%的準(zhǔn)連續(xù)（QCW）激光輸出（J. Am. Ceram. Soc., 2024, 107: 1974-1984）。該論文的第一作者為上海硅酸鹽所畢業(yè)博士研究生劉子玉，通訊作者為李江研究員。

Yb:Lu₂O₃透明陶瓷的激光裝置示意圖（上）和激光輸出曲線（下）

以上相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃國際合作重點(diǎn)專項(xiàng)、中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃（“一帶一路”科技合作專項(xiàng)）和上海市“一帶一路”國際合作項(xiàng)目等的資助。

相關(guān)文章鏈接

1）https://doi.org/10.1111/jace.18913

2）https://doi.org/10.1111/jace.19034

3）https://doi.org/10.1016/j.optmat.2023.114681

4）https://doi.org/10.1111/jace.19711

5）https://doi.org/10.1111/jace.19573