隨著高功率固體激光器的不斷發(fā)展，對激光輸出功率的需求不斷提高。在高功率泵浦模式下，熱效應限制了增益元件內部耗散的功率密度，限制了固體激光器向更高功率的發(fā)展。對于板條狀激光增益介質，通過設計合適的復合結構可以在較小程度甚至不增加激光器體積和復雜程度的前提下，提高激光增益介質的熱管理能力，從而提高激光器的功率、效率以及光束質量。近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所李江研究員帶領透明與光功能陶瓷團隊在復合結構Yb:YAG激光陶瓷領域取得重要進展。均質的Yb:YAG陶瓷板條在雙端泵浦時材料內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現(xiàn)充分泵浦，并且會導致增益介質的溫度分布不均勻。針對上述問題，該研究團隊采用流延成型和真空燒結技術制備了雙濃度梯度摻雜結構Yb:YAG透明陶瓷增益介質，并與中國電子科技集團公司第十一研究所合作實現(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-光轉換效率

為了進一步提升透明陶瓷增益介質的散熱能力，優(yōu)化其激光性能，研究團隊設計并制備了表層增益型Yb:YAG激光陶瓷，該復合結構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的散熱能力。采用表層增益型Yb:YAG透明陶瓷，實現(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-光轉換效率

對于盤片狀激光增益介質，可以通過增加增益元件的表面積增強散熱，降低熱效應。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到振蕩閾值，橫向于主光束傳播的放大自發(fā)發(fā)射會耗盡上層激光能級，并導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的產生會造成增益的下降和增益均勻性的破壞。因此，減少增益介質邊緣的內反射以抑制寄生振蕩效應非常重要。目前，在增益介質的側面進行包邊結構設計是抑制橫向內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，并且容易實現(xiàn)復雜形狀的制備，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。包邊復合結構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，實現(xiàn)陶瓷激光器向更高功率、更高效率發(fā)展。研究團隊采用真空燒結結合HIP后處理技術制備了808nm處直線透過率達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（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十二面格位的Y³⁺以及八面體/四面體格位的Al³⁺進行部分取代會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，更有利于寬帶可調諧以及脈沖激光的生成。研究團隊采用真空燒結結合HIP后處理技術成功制備了高質量的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系統(tǒng)研究所和意大利國立應用物理研究所合作，實現(xiàn)了高效準連續(xù)（QCW）激光輸出。當x=0.3、0.5和0.7時，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（報道最大激光輸出功率），相應的斜率效率分別為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時的激光性能

基質材料決定了增益介質的物化性能，對于高功率激光基質材料而言，高的熱導率是最重要的性能之一。Lu₂O₃比YAG具有更高的熱導率，但其單晶熔點高達2490^oC，這使得現(xiàn)有技術難以制備出高質量、大尺寸的Lu₂O₃單晶，而利用陶瓷制備方法可以在較低的燒結溫度下獲得高光學質量的Lu₂O₃透明陶瓷。此外，由于Yb³⁺與Lu³⁺離子半徑和原子質量非常接近，Yb:Lu₂O₃聲子能量低，且熱導率隨著Yb³⁺的摻雜濃度升高變化不大，因此高質量的Yb:Lu₂O₃透明陶瓷被認為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母吖β使腆w激光增益介質。研究團隊采用改良的共沉淀法合成單分散的Yb:Lu2O3納米粉體，然后采用真空燒結結合HIP后處理技術制備了激光發(fā)射波長處直線透過率為81.5%、室溫熱導率為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系統(tǒng)研究所和意大利國立應用物理研究所合作，Yb:Lu₂O₃透明陶瓷實現(xiàn)了在1033 nm處斜率效率高達73.8%的準連續(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）

以上相關工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目重點專項、國家重點研發(fā)計劃國際合作重點專項、中國科學院國際伙伴計劃（“一帶一路”科技合作專項）和上海市“一帶一路”國際合作項目等的資助。

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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