面向高功率激光的多晶增益介质可控制备及其热效应和光传输机理

激光透明陶瓷是一类具有多晶结构的新型晶态激光增益介质，综合了激光单晶、玻璃和结构陶瓷的优势，是高功率全固态激光器的核心材料，具有重要国防和民用背景。本项目面向高功率激光器，旨在探明制备高质量大尺寸Nd(Yb):YAG激光陶瓷的可控工艺，解决高性能粉体制备、气孔排除、晶界调控和复合结构设计等关键制备技术问题，阐明高功率激光服役条件下陶瓷的热炸裂和效率衰减的物理与缺陷化学机制，提供解决方案，进行光功能调控，制备具有优异光学、热学和高温机械性能的大尺寸Nd(Yb):YAG激光陶瓷（直径100mm×5mm, 0.6-3at% Nd），实现百瓦级以上激光功率输出，获得材料、制备工艺与核心装备的自主知识产权。以上研究内容在国内外尚处于起步阶段，具有新颖性。由于存在大量晶界和缺陷，光子和声子在多晶介质中的传输行为与在单晶中不同且更为复杂。该项目是对功能导向晶态材料的有力补充和重要组成部分。

与传统的单晶相比，多晶结构的新型晶态陶瓷作为激光增益介质，有无可比拟的优势：YAG激光透明陶瓷几乎同时具备了YAG单晶、激光钕玻璃以及结构陶瓷的所有优点，同时又避免了以上材料的缺点，因此被认为是近乎完美的最有潜力的高效率、高功率全固态激光增益介质。本项目探索解决了高性能粉体制备、气孔排除、晶界调控和复合结构设计等关键制备问题，制备了具有优异性能的低散射损耗的大尺寸Nd（Yb）:YAG激光透明陶瓷（尺寸为135mm×55mm×5mm的Nd:YAG/100mm×20mm×8mmYb:YAG等激光透明陶瓷），获得散射损耗为0.26-0.37%cm-1，接近单晶水平，实现了单片3-5kW的激光功率输出，使得我国成为继美国、日本之后第三个实现单片千瓦输出的国家；并获得了材料、制备工艺与核心装备的自主知识产权。自主研制成功的大型高温高真空烧结系统突破了我国自主研制大尺寸激光陶瓷的设备瓶颈，打破了国外的相关高温高真空技术限制，为我国激光透明陶瓷的完全国产化自主研制奠定了坚实的设备基础。在项目研制期间共发表学术论文55篇，申请专利13篇，其中授权5篇，全面完成了项目计划书的研究内容和指标。