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激光透明陶瓷

在国家中长期科技发展规划中,激光技术特别是高功率激光技术已列入战略高技术的多个重要发展方向,受到了高度重视。高能固体激光器是其中一个重要的应用方向,在高能量密度科学、先进激光加工技术、惯性约束聚变和聚变能源等国际前沿研究领域有广泛的应用前景。激光技术对于经济社会发展和国家安全具有极其重要的战略意义,而激光材料是激光技术发展的核心和基础。作为新一代固体激光材料—透明激光陶瓷,具有激光晶体、玻璃所无可比拟的优势,对国家安全和国民经济可持续发展具有重大意义,是陶瓷材料研究领域结构功能一体化的典范。

   

   

固体激光在激光武器、激光核聚变点火、激光切割、激光熔覆等领域的应用

激光陶瓷中的光学损耗主要是由于光学散射和光学吸收引起的。光学吸收涉及光能向其它性质能量的转变,而光学散射则不涉及能量转换,仅改变光传播方向。因此,光学损耗中心的控制是制备高质量激光陶瓷的关键。需要对光学散射、吸收中心形成机理的深入研究,并提出了抑制光学损耗的有效方法。

透明陶瓷中的光学散射损耗机理

透明与光功能陶瓷研究课题组自2006年国内首次实现Nd:YAG透明陶瓷的激光输出后(J. Am. Ceram. Soc., 2007, 1629),在高性能激光陶瓷材料的设计、制备与性能研究中取得一系列重要的研究进展(Opt. Mater., 2008, 31,6),相继实现了Yb:YAGJ. Am. Ceram. Soc., 2007, 90, 3334Opt. Express, 2009,17, 17734Opt. Express, 2012, 20, A489)、Tm:YAGJ. Am. Ceram. Soc., 2009, 92, 2434)、HoYAGLaser Phys. Lett., 2010, 7, 351)和Er:YAGJ. Am. Ceram. Soc., 2012, 95, 1029)透明陶瓷的高效、连续激光输出。由于激光陶瓷具有制备上的优势,可以获得复合结构,有望解决目前高功率固体激光发展遇到的热问题,实现高光束质量、高功率激光输出。课题组成功制备了高质量复合结构YAG/Nd:YAG透明陶瓷,并且实现了连续激光输出(Int. J. Appl. Ceram. Tech., 2008, 5, 360J. Alloy Compd., 2012, 527, 66)。此外,课题组在湿化学法制备YAG纳米粉体和透明陶瓷的研究中也取得了重要进展(J. Eur. Ceram. Soc., 2011, 31,653J. Eur. Ceram. Soc., 2012, 32, 2971)。课题组在激光陶瓷领域的重要进展包括:

1)大尺寸、低损耗Nd:YAG激光陶瓷

大尺寸、低光学散射损耗激光陶瓷的研究具有很强的前瞻性、关键性与基础性,不仅对材料科学发展意义重大,而且对高技术产业发展也具有重要意义。2011年,透明光功能陶瓷课题组的单片Nd:YAG陶瓷板条实现了2.44kW准连续激光输出(J. Alloy Compd., 2012, 538, 258)。2013年,理化所采用我所提供的Nd:YAG陶瓷板条(120mm×50mm×3mm)实现了1064nm激光输出达4350W(国内最高),光光效率43.6% Opt. Laser Technol., 2014, 63, 50-53。国际上仅次于美国达信公司采用日本陶瓷板条获得的结果,与同样参数的晶体板条激光模块输出功率相当。Nd:YAG陶瓷板条激光与美国达信公司陶瓷板条激光系统中单板条激光输出功率7.5kW处于同一量级。这标志着中国在激光陶瓷领域取得了重大突破,处于国际先进水平。在Nd:YAG激光透明陶瓷的光学总损耗仍是单晶(约0.002cm-1)的数倍情况下,Nd:YAG陶瓷的激光热损伤阈值比相同掺杂浓度的Nd:YAG晶体高出64%Opt. Lett., 2014, 39, 1965; IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron., 2015, 21, 1206408)。高功率陶瓷激光具有巨大的应用潜力,它在将来的激光技术中具有不可替代的地位。因此,激光陶瓷为固体激光技术(特别是高能激光技术),开辟了一条新途径,具有十分重大的意义。

      
      

大尺寸Nd:YAG陶瓷的实物照片、直线透过率曲线、激光实验装置示意图与激光输出曲线

2Yb:YAG激光陶瓷

Nd:YAG相比,Yb:YAG激光陶瓷的优点包括:Yb3+吸收带与LD有效耦合,吸收线宽大;量子亏损低,理论量子效率高;无辐射弛豫引起的热负荷低;无激发态吸收和上转换,光转换效率高;荧光寿命长(约951μs),有利于储能。因此,Yb:YAG透明陶瓷适合用作高功率、大能量的固体激光增益介质。

透明与光功能陶瓷研究课题组成功制备了不同掺杂浓度、大尺寸的Yb:YAG透明陶瓷板条,样品具有与Yb:YAG晶体可媲美的光学质量与激光性能。

不同掺杂浓度、大尺寸Yb:YAG透明陶瓷板条的实物照片

不同掺杂浓度Yb:YAG透明陶瓷的直线透过率曲线

3人眼安全Tm/Ho/Er:YAG激光陶瓷

激光的用途越来越广,而其安全性也被广泛关注。人眼的特殊结构决定了人眼安全波段为波长1.42 μm。该波段激光在辐射人眼时,大部分被晶状体所吸收,只有少部分到达视网膜,对人眼危害较小,所以称为人眼安全激光。人眼安全激光在空间通信、空中对水下通信、遥感、引信、目标指示、外差相干多普勒激光雷达、测距测高、成像等领域具有十分广阔的应用前景。

透明与光功能陶瓷研究课题组成功制备了高质量的Tm:YAG透明陶瓷,并与中国科学院上海光机所徐剑秋研究员合作在国际上首次实现了Tm:YAG陶瓷激光输出(J. Am. Ceram. Soc., 2009, 92: 2434–2437)。与意大利比萨大学合作,成功实现了2μm人眼安全波段Tm:YAG陶瓷连续激光输出,斜率效率56.3%,可调谐波长大于133nmJ. Phys. D: Appl. Phys., 201346: 375301)。与马克斯伯恩非线性光学研究所合作,Tm:YAG透明陶瓷实现2μm波段SESAM锁模激光输出,脉冲宽度3ps,重复频率89MHz下的平均输出功率约为150mWOpt. Express, 2015, 23: 1361-1369)。

 

  1. Tm:YAG透明陶瓷的直线透过率曲线;(b) 热腐蚀表面SEM形貌;(c)连续激光输出;(d)可调谐激光输出

团队研制的Ho:YAG陶瓷经中国科学院上海上海光机所验证,在国际上首次实现了2090nm连续激光输出,斜率效率为42.6%Laser Phys. Lett.2010, 7: 351–354)。与哈尔滨工业大学姚宝权教授合作,采用1908nm Tm:YLF激光同带泵浦Ho:YAG陶瓷,实现了2091nm连续激光输出26.8W,斜率效率57.9%Chin. Opt. Lett., 2014, 31: 124205)。德国马克斯伯恩非线性光学研究所合作,采用1.9μm Tm光纤激光同带泵浦Ho:YAG陶瓷,实现了2090.4nm2094.0nm连续激光输出,斜率效率高达88%83%Appl. Opt., 2016, 55: 4877-4887)。

Ho:YAG陶瓷激光装置示意图与激光输出曲线

研究团队采用固相法制备的不同浓度Er:YAG透明陶瓷,并随Er浓度的增加,颜色浓度越来越高。其中,采用1532nm同带泵浦方式,研制的1.0at%Er:YAG陶瓷成功实现了1645nm连续激光输出,斜率效率高达50.8%,输出功率为13WJ. Am. Ceram. Soc., 2012, 95: 1029-1032)。高浓度掺杂Er:YAG透明陶瓷有望实现2.94μm中红外激光输出。

      

不同掺杂浓度Er:YAG透明陶瓷的实物照片(样品厚度2mm,从左到右Er3+掺杂浓度为1at.%5at.%10at.%15at.%30at.%50at.%70at.%90at.%

 

1.0at%Er:YAG透明陶瓷的直线透过率和激光输出曲线

4层状及多段复合结构激光陶瓷

陶瓷制备工艺容易实现多层和多功能复合结构的特点,为激光系统的自由设计提供了便利,而这一点对于单晶工艺是难以实现的。因为要实现Nd:YAG(或Yb:YAG)透明陶瓷的高功率激光输出,必须增加泵浦功率,但同时Nd:YAG(或Yb:YAG)激光陶瓷中的热量也必然会增加。按照玻尔兹曼分布定律,随着增益介质温度的升高,激光阈值会随之增大,而激光效率会下降。为了减少激光材料的热沉积,提高光光转化效率,实现大功率激光输出,一种方法是通过改善外设散热装置,另一种方法是采用新型的层状复合结构激光透明陶瓷。

透明与光功能陶瓷研究课题组采用干压成型和真空烧结工艺制备了多段复合结构和层状复合结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷,层状复合结构YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷的平均输出功率最大可到340W,单脉冲激光能量为1.7J,光-光效率为26.4%。采用流延成型和真空烧结技术成功制备了高质量的层状复合结构YAG/Yb:YAG透明陶瓷。采用端面泵浦方式,复合结构Yb:YAG陶瓷在1049nm实现6.89W连续激光输出,斜率效率高达58.8%

多段复合结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷

层状复合结构YAG/Yb:YAG透明陶瓷的实物照片

 

 

层状复合结构Yb:YAG透明陶瓷的激光性能 

5)平面波导激光陶瓷

激光二极管泵浦是实现高效率激光输出的关键,为保证高光束质量,增益介质的几何形状非常重要,这是由于激光发射过程中会产生大量废热,这些热量如果不及时散发出去会对增益介质产生扰动,影响光束质量。采用平面波导材料作为增益介质的激光器,同时具有块状固体激光器功率高和光纤激光器能量转换效率高的优点。键合技术是实现平面波导激光增益介质的常见技术途径,但大纵横比的平面波导材料仍存在芯层厚度难控制和键合强度弱等问题。

陶瓷平面波导结构是激光陶瓷板条的自然进化,是一种高纵横比的三明治结构,由高折射率的波导层和周围低折射率包层组成,具有对泵浦吸收效率高,纵横比大,比表面积大等特点。平面波导结构激光陶瓷不仅可及时传导激光发射中产生的废热,避免热透镜效应,还能增加增益介质中的光密度,从而实现低阈值、高功率的激光输出。流延成型技术是一种精度高、膜厚度和组分可控性强的陶瓷成型工艺。2014年,透明与光功能陶瓷研究团队在国际上首次采用流延成型和陶瓷烧结技术,克服了单晶键合技术的缺陷,实现了平面波导结构激光陶瓷的一体化制备,成功制备了高质量的平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷,样品在激光工作波段1064nm处的直线透过率大于84%Opt. Mater. Express, 2014, 4: 1042-1049)。

(a)陶瓷流延膜表面FESEM形貌;(b)流延膜实物照片;(c)平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷的实物照片和直线透过率曲线;(d)波导层Nd3+的分布图

以研制的YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导作为激光放大器的增益介质,经中国工程物理研究院应用电子学研究所高清松研究员团队验证,获得了100 Hz重复频率下327 mJ单脉冲能量的激光输出。据研究团队所知,这是国际范围内采用非水基流延成型制备的该种陶瓷平面波导达到的最大单脉冲能量输出。相关研究成果作为Cover Story发表在Chin. Opt. Lett. (2016, 14: 051404)上,并被美国光学学会(OSA)官网以“YAG/Nd:YAG/YAG ceramic planar waveguide laser amplifier with 327-mJ output at 100-Hz repetition rate”为题作专题报道。

YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导激光放大器的示意图 

与山东大学信息科学与工程学院刘兆军博士合作,陶瓷平面波导YAG/Nd:YAG/YAG实现了斜率效率高达62.8%1064.6nm连续激光输出(Laser Phys. Lett., 2017, in press)。与哈尔滨工业大学可调谐激光国家重点实验室马欲飞博士合作,陶瓷平面波导YAG/Nd:YAG/YAG实现了4.14W被动调Q激光输出,平均输出功率、脉冲能量和脉冲峰值功率分别为75.6 kHz54.8μJ3.4 kWOpt. Mater. Express, 2016, 6: 2966-2974)。

YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导的激光实验装置图与激光性能

Yb3+离子的能级结构,决定了Yb:YAG陶瓷不仅可用于调谐激光和超快激光,也可以用于高功率、CW或高脉冲重复频率的激光,所以Yb:YAG透明陶瓷代表了新一代的激光材料的发展方向。课题组研制的平面波导结构YAG/Yb:YAG/YAG透明陶瓷经华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室李文雪研究员、曾和平教授团队验证,实现了斜率效率高达66%的连续波导激光输出(图1)。采用半导体可饱和吸收镜(SESAM, 陶瓷YAG/Yb:YAG/YAG平面波导实现了1030nm被动锁模激光输出,重复频率为97.79MHz,脉冲宽度为2.95ps,平均功率为385mW,波导方向的光束质量M21.42Sci. Rep., 2016, 6: 31289)。

陶瓷YAG/Yb:YAG/YAG平面波导的连续激光性能(a)平均输出功率特性(平平腔);(b)平均输出功率特性(三镜腔);(c)激光模式分布(平平腔);(d)激光模式分布(三镜腔) 

人眼安全2μm波段固体激光在遥感、测风雷达、中红外光参量振荡器(OPO)、透明塑料焊接以及激光手术与治疗等领域具有重要的应用前景。为了实现Tm/Ho:YAG透明陶瓷的高效率、高功率和高光束质量2μm激光输出,上海硅酸盐所成功制备了高质量的平面波导结构YAG/Tm:YAG/YAGYAG/Ho:YAG/YAG透明陶瓷。经哈尔滨工业大学可调谐激光国家重点实验室姚宝权教授团队验证,陶瓷YAG/Ho:YAG/YAG平面波导实现2091.4nm的单纵模激光输出,输出功率为530mW, 斜率效率为12.7%,光束质量M21.23Infrared Phys. Technol., 2016, 78: 40-44)。陶瓷YAG/Tm:YAG/YAG平面波导在国际上首次实现了2013.76nm连续激光输出,输出功率173 mWOpt. Lett., 2016, 41: 254-256)。

         

          

陶瓷平面波导YAG/Tm:YAG/YAG的激光性能

6)稀土离子掺杂LuAG激光陶瓷

LuAGYAG同属石榴石族化合物,具有类似的晶体结构,属于立方晶系,空间群为Oh10-Ia3d,两者的机械性能相当,不同之处在于Lu3+离子替代Y3+离子,占据了十二面体格位[A]。但是和Y3+离子相比,Lu3+离子的有效半径和其它稀土离子更加接近,使得在制备稀土离子掺杂Luag陶瓷时的晶格畸变较小,尤其在某些极端情况如高掺杂浓度和高温条件下,Luag的热导率减小较少。特别是Yb3+173 g/mol)离子,其原子质量和Lu3+175 g/mol)离子非常接近,使得Yb:LuAG在高温和高掺杂时热学性能要明显好于Yb:YAGNd:LuagNd3+4F3/2态的劈裂(67 cm-1)要比Nd:YAG中(84 cm-1)的小,使其在1064 nm激光波长上有更高的放大。而且4I9/2878 cm-1)更大的斯塔克能级劈裂表明Nd3+离子在LuAG中经历了更强的晶格场作用。

透明与光功能陶瓷研究课题组采用固相反应法制备了高光学质量的0.8 at.% Nd:Luag陶瓷和2.5 at.% Yb:LuAG陶瓷。力学和热学性能结果表明,Yb:LuAG陶瓷拥有和Yb:YAG陶瓷相当的抗弯强度、断裂韧性,在高温下具有优异的热学性能。实现了Nd:Luag陶瓷和Yb:LuAG陶瓷的激光输出。其中,Nd:Luag陶瓷激光斜率效率为38.3%,光光转换效率为43.4% J. Eur. Ceram. Soc., 2016, 36: 655-661)。三镜谐振腔下Yb:LuAG陶瓷获得了最佳的激光性能,最大激光输出功率为2.1 W,斜率效率为47%,实现了中心波长在1030 nm2 nm调谐范围(J. Alloy. Compd., 2016, 664: 595-601)。

   

   

Nd:LuAG陶瓷的SEM显微结构、直线透过率、荧光寿命及激光性能

    

Yb:LuAG透明陶瓷的直线透过率、热导率及激光性能

    在此基础上,研究团队成功制备了新型的高质量4at%Tm:LuAG陶瓷透明,采用787nm钛宝石激光泵浦,在国际上首次实现了Tm:LuAG陶瓷的2022nm连续激光输出0.83W,斜率效率61%TOC=5%),可调谐激光波长范围1808~2073nmOpt. Express, 2017, 25: 7084-7091)。采用1907.5nmTm:YLF激光泵浦0.8at%Ho:LuAG陶瓷,实现2100.7nm连续激光输出2.67W斜率效率26.5%,光束质量M2=1.1

  

4at%Tm:LuAG透明陶瓷的光谱特性、激光装置图及激光性能 

研究团队采用固相反应烧结结合热等静压后处理工艺成功制备了高质量的0.8at%Ho:LuAG陶瓷(J. Am. Ceram. Soc., 2017, 100: 2081-2087),通过与马克斯伯恩非线性光学研究所合作对陶瓷材料进行了激光性能验证。采用1907.5nmTm:YLF激光泵浦Ho:LuAG陶瓷,实现2100.7nm连续激光输出2.67W,斜率效率26.5%(国际报道最高值),光束质量M2=1.1

    

    

0.8at%Ho:LuAG透明陶瓷的显微结构、光学透过率、光谱特性及激光性能

7新型多组分石榴石激光陶瓷

透明与光功能陶瓷研究团队在国际上首次制备出高质量、不同掺杂浓度的Yb:LuYAG透明陶瓷,并实现1029.1nm高效连续激光输出(Opt. Express, 2016, 24: 9611-9616Opt. Express, 2016, 24: 17832-17842)。其中,10at%Yb:LuYAG透明陶瓷实现激光斜率效率达90.1%,输出功率达8.7W

不同掺杂浓度Yb:LuYAG陶瓷的热腐蚀表面FESEM形貌 (a,b)10at%; (c)5at%; (d)15at%

Yb:LuYAG透明陶瓷的激光性能

8倍半氧化物激光陶瓷

掺镱氧化钪(Yb:Sc2O3)具有高的热导率和优异的光学性能,被认为是一种颇具发展潜力的高功率固体激光增益介质。然而,Yb:Sc2O3的熔点高达2430 oC,这使得现有技术难以制备出高质量、大尺寸的Yb:Sc2O3单晶。而利用陶瓷的制备方法可以在较低的烧结温度下制备得到高光学质量的Yb:Sc2O3透明陶瓷。

透明与光功能陶瓷研究课题组采用共沉淀法制备Yb:Sc2O3纳米粉体,然后采用真空烧结技术(或结合热等静压后处理)制备在1100 nm波长处的直线透过率为73.9%Yb:Sc2O3透明陶瓷,并且成功实现了高效连续激光输出。

          

Yb:Sc2O3前驱体和不同温度下煅烧得到纳米粉体的SEM (a)前驱体; (b) 600 oC; (c) 800 oC; (d) 1000 oC; (e) 1100 oC; (f) 1200 oC

不同温度真空烧结10h制备得到的5at%Yb:Sc2O3透明陶瓷样品实物图

不同温度真空烧结10 h制备得到的5at%Yb:Sc2O3透明陶瓷样品的透过率曲线

 

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