高热导率复合结构固体激光器技术研究

High-power fundamental-mode laser module is the foundation of developing specially-high-power solid-state laser technology. In conventional solid-state lasers, the laser material usually has a comparatively low thermal conductivity. Therefore, the laser-power scaling technique based on simply increasing surface-volume ratio (disk or fiber) is now facing many challeges. In this program, we propose and develop a composite solid-state laser technology based on high-conductivity materials. By adopting high-conductivity materials, such as SiC or diamond, as the heat dissipating material, we efficiently combine the laser gain material (crystal or ceramic) with the heat-dissipating material to realize a composite laser structure. With composite laser structures, we can combine the advantages of high-heat-dissipating features, high-pumping-density technique, and large-mode volume, thus greatly improve the heat-dissipating capability of the laser system. Through solving the key scientific and technical problems such as thermal distortion, beam-quality degrading, and laser efficiency dropping in high-power lasers, we will realize high-power fundamental-mode laser output from a single laser module, and develop a new technical routine to achieve high-power high-beam-quality solid-state lasers.

在单激光模块中实现基模、高功率激光输出是高功率固体激光技术发展的基础。由于现在使用的激光材料的热导率不高，单纯依靠采用如薄片/光纤等大表面-体积比的结构来提高激光功率面临着新的挑战。本项目提出具有高热导率的固体激光器复合结构，利用高热导率材料（如SiC、金刚石等）与激光增益介质（如晶体、陶瓷等）的一体化设计和复合技术，将优异的散热性能、高强度泵浦技术和大模场体积结合起来，大幅度提升固体激光器的散热能力，解决高功率固体激光器的热畸变、光束质量劣化和效率下降等关键技术问题，在单激光模块中实现高功率基模激光输出，探索出一条高光束质量、高平均功率的固体激光器新技术途径。

采用自合成法成功实现了SiC高纯原料的合成，并将该原料应用于SiC晶体的生长，得到了3英寸和4英寸的高光学质量SiC晶体。通过高温键合的方法，成功实现了SiC与激光晶体多种方式键合，发展了高热导率复合结构激光增益介质构型。. 主要研究了三种SiC晶体的复合结构激光增益介质结构：SiC分离式键合结构、SiC晶体包层结构和SiC晶体多层复合结构。基于这三种复合增益介质结构，我们分别开展了温度、应力分布、激光振荡、传输及放大研究，实现了高光束质量、高功率激光输出。其中，SiC分离式键合结构得到了大于5W的线偏振激光，光束质量稍差；SiC晶体包层结构实现了大于50W的基模激光输出；多层复合结构中，通过布儒斯特角传输的偏振选择特性，实现了大于6W的多束偏振基模激光输出（激光的偏振比大于15dB），对该增益介质结构的激光谐振腔进行优化和功率提升，得到了大于120W的偏振激光，激光的光束质量M2因子为1.8左右。. 研究结果证明了基于高热导率材料的复合结构增益介质是实现高光束质量高功率固体激光的优异途径之一，该结构的巨大优势和潜力有望通过进一步研究来展现。键合技术的进一步成熟将推动该复合结构激光技术上升到一个新的台阶。