中红外陶瓷激光器功率提升技术研究

高功率中红外激光在军事、民用及科研上均有重要的应用前景，是目前国际上的研究热点。透明陶瓷价格低廉、且易得到大尺寸的特点使得陶瓷成为高功率固体激光器中非常重要的激光介质，在1μm附近波段，透明陶瓷已经可以获得和晶体相媲美的激光性能，但在中红外波段，由于交叉弛豫和能量上转换等现象的存在，其发光机理、热效应和声子能量等特性均与1μm波段的陶瓷激光器不同。本项目以中红外透明陶瓷为研究对象，系统研究限制中红外陶瓷功率提升的因素，主要内容包括：研究陶瓷晶粒的大小及形状、气孔的大小及数量、微裂纹的存在及分布以及晶界的性质等微结构对陶瓷在中红外波段激光输出功率的影响；建立中红外复合陶瓷的热动力学模型，研究复合结构对输出激光功率的提升作用；并结合中红外陶瓷的宽带吸收的特点，研究低量子亏损的高效泵浦技术，探索新的实现高功率中红外激光输出的技术路线。

本项目针对中红外陶瓷激光器在功率提升过程中可能面临的关键科学问题进行探索研究。在三年的研究期间内，我们系统研究了陶瓷的微结构对中红外陶瓷热分布特性以及激光性能的影响，并提出通过改进陶瓷的掺杂分布来改善陶瓷的热效应的方案；实验方面，我们开展了Tm:YAG和Ho:YAG陶瓷实验研究，取得了在国内外处于领先水平的实验结果。此外，在研究过程中，发现以Tm:YAG为代表的三能级结构中红外陶瓷在不同的冷却温度下，其激光性能有较大差异，针对这一特点，我们开展了低温下中红外陶瓷激光性能的初步研究。本项目取得的主要研究成果有：.1)开展Tm:YAG和Ho：YAG陶瓷实验研究。利用掺杂浓度6 at.%，尺寸1.2×5×6mm的Tm:YAG陶瓷材料作为激光介质，在常温条件下获得了平均功率30W（中心波长782nm的半导体激光器作为泵浦源）的连续激光输出；调Q运转时，利用声光Q开关在重复频率为500Hz时，获得最短的激光脉冲为69ns，单脉冲能量为20.4mJ；在Ho:YAG陶瓷实验中，我们利用Tm:YLF固体激光器作为1 at.%掺杂Ho:YAG陶瓷的泵浦源，获得了1.2 W，光光效率42.6%，中心波长2090nm的连续激光输出。.2)系统研究了透明陶瓷内晶粒的大小及形状、气孔的大小及数量、微裂纹、晶界的性质、陶瓷掺杂元素的种类和掺杂浓度对陶瓷激光性能的影响；.3)开展三能级中红外陶瓷的温度敏感性研究，完成低温Tm:YAG陶瓷的激光实验设.计。常温条件下属于三能级结构的Tm陶瓷，随着温度的降低，会逐渐由三能级变为四能级结构，更有利于获得高能输出，并且低温还可以进一步改善陶瓷的热力学性能。但目前的文献中对中红外陶瓷的研究主要集中于常温，陶瓷的光学和物理性能参数也都是常温下的数据，低温下的相应参数缺乏系统的研究。由于没有可供参考的低温参数，我们需要首先开展实验研究，通过实验结果反推相关参数，为后期的模拟优化提供数据。为此，我们搭建了低温Tm:YAG陶瓷实验研究平台，将Tm:YAG陶瓷样片置于杜瓦内，通过真空泵将杜瓦抽成真空（>1.0×10-2Pa）并通过液氮制冷，可获得最低80K的低温。