YAG透明陶瓷中“晶界”对激光振荡的调控机理研究

For transparent laser ceramic, the effect of ceramic grain boundaries on laser oscillation has become a very important research topic. This project is about a study on the regulation mechanism of the grain boundary affecting laser oscillation in the Ho:YAG transparent ceramic, which is a gain material of 2 μm laser. Since the Ho has a high segregation coefficient and a quasi-4-energy level laser system in the YAG, we estimate the mechanism will become more complex and confusing in the Ho:YAG ceramic than in the Nd:YAG ceramic. In this application, we will explore how the optical nonuniform affects the laser operations and how the Ho ions in the grain boundary affect the photoconduction, concentration quenching, saturable absorber-type defects, etc. Those are caused by the gain boundary segregation. We wish to find a way to regulate and control the laser oscillation by controlling the grain boundary quality.

在透明激光陶瓷中，晶粒"晶界对激光振荡的影响"已经成为该领域十分重要的研究内容之一。本项目将以Ho:YAG透明激光陶瓷为增益介质，重点研究陶瓷晶粒的晶界对红外波段激光振荡的影响。申请人在前人研究的Nd:YAG等透明陶瓷的基础上，提出由于Ho在YAG中的有较大的"分凝系数"以及具有"准四能级系统"特性，使得其晶界对激光振荡影响的规律更趋复杂。申请人将在本项目中将探索Ho:YAG透明陶瓷中 "晶界偏析"现象引起的光学不均匀性对激光振荡的影响，以及晶界上Ho离子对"光电导"、"浓度猝灭"、"可饱和吸收缺陷"等现象的物理机理。申请人希望通过本项目的研究，能够实现通过控制晶界品质达到"调控"激光振荡的目的，为更好的制造与应用透明陶瓷材料，产生高品质激光输出探索理论和技术基础。

与单晶不同，透明陶瓷是一种拥有晶界的多晶激光增益材料。我们通过研究Ho:YAG透明陶瓷的CW、主动调Q、石墨烯被动调Q和增益开关等运转状态下的激光宏观特性表现，包括激光功率、激光输出斜率效率、脉宽、重复频率等，探索透明陶瓷的微观结构与宏观运转表现之间的机理关系。此外，我们还研究了Ho:LuAG、Ho:Y2O3透明陶瓷、Ho:LuYAG混晶，以及Tm、Er掺杂的YAG和LuAG等材料的激光运转特性，有助于我们全面了解陶瓷与单晶的差异。我们发现：.1. 在目前百瓦级泵浦功率水平内，稀土掺杂浓度不高的情况下，透明陶瓷与单晶材料没有性质上的显著差异，均可实现较高斜率效率的激光输出；.2. 在我们目前的制备工艺下，透明陶瓷的晶粒尺寸控制在10~20μm，可以透明陶瓷的透射率可以接近YAG的理论透射率，此时激光材料在运转时，具有较高的输出效率；.3. Ho:YAG和Ho:LuAG在能级结构上相似，在荧光光谱中最强的2091nm（对于Ho:YAG材料）或者2094.5nm（对于Ho:LuAG材料）发射峰，其发射截面由α和β两组不同的辐射跃迁截面构成，受外界影响较大，这将导致激光器在运转时波长随外界条件变化进行切换；.4. 高掺杂浓度的Ho:YAG（例如4 at. %）仍然能够实现激光输出，晶界在一定程度上能够抑制上转换的发生，但尚不确定陶瓷烧结助剂是否对上转换有直接影响。