激光陶瓷复合结构的界面扩散与热效应

作为一种新型的激光增益介质，Nd:YAG透明陶瓷不仅具有可与激光单晶相媲美的激光性能，并且可实现大尺寸制备和高浓度掺杂，尤其还具有优良高温机械性能与容易实现复合结构的特征。但是Nd:YAG激光陶瓷中的热效应，使其在高功率激光服役条件下产生热炸裂现象，这是制约Nd:YAG透明陶瓷激光输出功率的瓶颈。陶瓷制备工艺为激光陶瓷的复合结构设计提供了可能性和灵活性，而且均质激光材料中难以克服的热效应问题，有望通过复合结构设计而得到有效控制。利用稀土掺杂的成份梯度与复合结构设计，制备稀土掺杂浓度渐变式（中间浓度最高，两侧浓度逐渐变低）Nd:YAG透明陶瓷，可以有效降低热透镜效应和热积累，减少光束质量下降，防止热炸裂，实现高效、高功率激光输出。通过对掺杂离子微观扩散机制的研究，揭示其界面扩散热力学与动力学规律，为Nd:YAG激光陶瓷的复合结构设计与制备奠定基础，为开发新型的大功率陶瓷固体激光器提供理论依。

作为一种新型的激光增益介质，Nd:YAG透明陶瓷不仅具有与激光单晶相媲美的激光性能，并且可实现大尺寸和高浓度掺杂，尤其还具有优良高温机械性能与容易实现复合结构的特征。但是Nd:YAG激光陶瓷中的热效应，使其在高功率激光服役条件下产生热炸裂现象，这是制约Nd:YAG透明陶瓷激光输出功率的瓶颈。陶瓷制备工艺为激光陶瓷的复合结构设计提供了可能性和灵活性，通过激光陶瓷的复合结构设计和可控制备，可以有效降低热透镜效应和热积累，减少光束质量下降，防止热炸裂，实现高效、高功率激光输出。本课题成功制备了高质量Nd:YAG、Er:YAG和复合结构YAG/Nd:YAG、YAG/Yb:YAG透明陶瓷，系统的研究了陶瓷的显微结构、光谱特性、激光性能、热效应和激光热损伤等。大尺寸、低光学损耗激光陶瓷的成功研发，为开发新型的、高性能的陶瓷固体激光器奠定理论和实验基础。主要成果包括：.a）采用TEOS、MgO复合烧结助剂，促进烧结致密化、控制晶粒生长，消除异价离子引入而造成的电荷不匹配，成功制备了结构致密，晶粒细小、高质量的Nd:YAG透明陶瓷。.b）成功制备了高质量的Er:YAG透明陶瓷，通过带内泵浦方式，实现了人眼安全波段1645nm连续激光输出，斜率效率为50.8%，输出功率为13W。.c）采用干压成型工艺和真空烧结技术，成功制备了复合结构YAG/Nd:YAG透明陶瓷，并用端面泵浦方式实现了20.3 W连续激光输出，光转换效率为10.1%。.d）以无水乙醇和二甲苯为溶剂、鲱鱼油为分散剂、丁苄基邻苯二甲酸酯和聚乙二醇400为塑化剂、以聚乙烯醇缩丁醛为粘结剂，使用非水基流延成型技术制备复合结构激光陶瓷。采用平平腔设计，未镀膜YAG/Yb:YAG/YAG陶瓷实现了1.72 W连续激光输出，斜率效率为10.5 %。.e）干压成型所得透明陶瓷界面易弯曲、不平整，扩散层宽度大流延成型一个数量级，不能精确控制微结构。采用非水基流延成型制备的复合结构激光陶瓷界面平整，扩散层仅为0.05 mm，可以精确调控复合激光陶瓷微结构。.f）成功制备了光学散射损耗为0.004cm-1的大尺寸Nd:YAG陶瓷板条（93×30×3 mm3），采用LD面阵为泵浦源，实现了2.44 KW准连续激光输出，光光转换效率为36.5%。Nd:YAG陶瓷的热效应略大于Nd:YAG晶体，但激光损伤阈值却比单晶高56.6%。