平面波导激光陶瓷的结构设计与性能优化

High energy solid-state ceramic lasers have wide application potentials in the advanced fields of high-end equipment manufacturing, high energy density science, laser weapon and fusion energy. Diode laser pumping is the key point to realize laser output with high efficiency and high power, however, the structure of ceramic gain medium should be optimized in order to obtain high laser beam quality. The notable feature of ceramic laser gain media with planar waveguide structure is that waste heat produced in the laser emission can be timely conducted, laser beam divergence can be effectively restricted and the optical density can be significantly improved. By such a structural design, high power planar waveguide ceramic laser with low threshold can be obtained. In this proposal, composite YAG/Yb:YAG/YAG (or YAG/Nd:YAG/YAG) transparent ceramics with planar waveguide structure will be fabricated by tape casting and hot isostatic pressing. The boundary characteristic of the core layer and the cladding layer in the ceramic composite is to be explored. The influences of core layer thickness, optical loss, flatness and doping diffusion on the waveguide property and laser performance of composite ceramics will also be demonstrated. This proposal will provide guidance for the structure design, the controllable fabrication and the property optimization of planar waveguide laser ceramics. And it will also establish a solid foundation for the application of high energy solid-state ceramic lasers.

高能陶瓷固态激光器在高端装备制造、高能量密度科学、激光武器和聚变能源等国际前沿研究领域有广泛的应用前景。激光二极管泵浦是实现高效率、高功率激光输出的关键，然而为保证高光束质量，必须对陶瓷增益介质的结构进行优化设计。将平面波导结构应用于陶瓷激光增益介质，其最大特点是它可及时传导激光发射中产生的废热，有效地限制光束发散，提高增益介质中的光密度，从而实现低阈值、高功率的激光输出。本项目拟采用流延成型和热等静压烧结工艺制备平面波导结构YAG/Yb:YAG/YAG（或YAG/Nd:YAG/YAG）透明陶瓷，探索陶瓷复合结构中芯层与包层之间的界面特性，揭示芯层厚度、光学损耗、平整度与掺杂离子扩散状态等对材料波导特性和激光性能的影响规律。本项目的完成将为平面波导激光陶瓷的结构设计、可控制备与性能优化提供指导，并为其应用于高能固体激光器奠定坚实的基础。

高能陶瓷固态激光器在高端装备制造、高能量密度科学、激光武器和聚变能源等国际前沿研究领域有广泛的应用前景。激光二极管泵浦是实现高效率、高功率激光输出的关键，然而为保证高光束质量，必须对陶瓷增益介质的结构进行优化设计。将平面波导结构应用于陶瓷激光增益介质，其最大特点是它可及时传导激光发射中产生的废热，有效地限制光束发散，提高增益介质中的光密度，从而实现低阈值、高功率的激光输出。本项目拟采用流延成型和热等静压烧结工艺制备平面波导结构激光透明陶瓷，探索陶瓷复合结构中芯层与包层之间的界面特性，揭示芯层厚度、光学损耗、平整度与掺杂离子扩散状态等对材料波导特性和激光性能的影响规律。取得的重要结果包括：.1) 采用流延成型和真空烧结技术制备了直线透过率高达84.8%的平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷，实现了1064.6nm连续激光输出10.4W，斜率效率为62.8%。.2) 利用流延成型结合真空烧结和HIP后处理制备了尺寸为60 mm×10 mm×1 mm的平面波导YAG/10at.% Yb:YAG/YAG陶瓷，厚度为2 mm的样品在400 nm处的直线透过率为82.5%。样品的平均晶粒尺寸约为17.1 μm。随后采用主震荡功率放大器（MOPA）结构和940 nm 激光二极管为泵浦源，实现了最大功率为1.25 kW的1030 nm激光输出，对应的光光转换效率为30%，是国际上该类陶瓷平面波导获得的最高激光输出功率。.3) 成功研制出高质量的平面波导结构YAG/Tm:YAG/YAG透明陶瓷，样品在1.94~2.10 μm 波段内的透过率达83.3%以上。在国际上首次实现了2013.76nm连续激光输出，输出功率173 mW。.4) 利用流延成型工艺配合真空预烧以及HIP后处理获得了平面波导LuAG/10at.% Yb:LuAG/LuAG陶瓷，厚度为2 mm的样品在1100 nm处的直线透过率为74.0%，Yb3+离子的最大单向扩散距离为166 μm。随后以976 nm 的激光二极管为泵浦源，首次获得了1030 nm处的激光输出，最大输出功率和斜率效率分别为0.4 W和9.4%。据我们所知这是平面波导LuAG/Yb:LuAG/LuAG陶瓷首次实现激光输出。.本项目的完成为平面波导激光陶瓷的结构设计、可控制备与性能优化提供指导，并为其应用于高能固体激光器奠定坚实的基础。