超低散射损耗激光透明陶瓷

Rare earth dope YAG transparent ceramics is the most important laser gain media with potential application in the field of high energy / high power solid-state laser system. The urgent requirement for its actual application is the extremely low scattering loss in the polycrystalline dense system. However, although the scattering mechanism on the level of >1%cm-1 is clear, the reason of the sources for the extremely low scattering of lower than 1%cm-1 is still unclear. In this project, the objective is to clarify the mechanism of the different scattering sources on the light loss on the level of <1%cm-1, and to find out the efficient route to depress the scattering loss and enventually reach 0.2%cm-1 compared with the present level of about 1%cm-1 in China.

稀土掺杂钇铝石榴石YAG激光透明陶瓷是高功率和高能全固态激光器的最佳增益介质。大幅度降低激光透明陶瓷的散射损耗达到块体单晶水平是实现其工程化应用的前提条件。在陶瓷多晶体系中，高散射损耗情形下的名类散射源对散射损耗的影响规律已基本明晰，但在散射损耗低于1%cm-1的低散射基础上，散射机理尚不清楚。我国目前可以做到1%cm-1水平。本项目拟重点研究在散射损耗低于1%cm-1的低散射基础上，陶瓷内部各类散射源对散射损耗的影响机制，以及通过微结构调控实现陶瓷的超低散射损耗，使YAG陶瓷散射损耗小于0.2%cm-1达到接近块体YAG单晶的水平。

透明激光陶瓷作为激光增益介质具有掺杂浓度高、均匀可控，尺寸大，易于制备复合结构，生长周期短等优势。在高功率输出方面受制于散射损耗，包括：微气孔、晶界尺寸以及色心点缺陷等，产生较大的热效应，降低了激光输出功率和效率，严重影响了激光光束质量。本项目从高纯度球形原料粉体的制备，成型工艺调节与烧结助剂的选择三个方面开展研究工作，通过优化条件极大地降低了陶瓷的散射损耗，实现了Re:YAG和Re:LuAG (Re= Yb, Nd)透明陶瓷的连续激光输出。Nd:YAG盘片样品测试结果表明散射损耗3‰ cm-1，光学均匀性1.4×10-5，内部应力3nm/cm，消光比达41.67dB。同时，我们利用流延成型技术制备了复合波导结构激光透明陶瓷YAG/Nd:YAG/YAG, YAG/Nd:LuAG/YAG, YAG/Yb:LuAG/YAG，有效降低了热效应，实现了波导界面的原子级控制，系统的研究了连续激光输出性能和界面处的离子扩散行为。将Cr:YAG包边的复合Yb:YAG陶瓷测试，结果为光学均匀性10-6级，消光比42.90dB，内部应力小于0.924nm/cm。本项目通过制备高活性球形粉体，微结构调控晶界尺寸与粒子扩散行为和降低色心点缺陷，实现了降低透明激光陶瓷的散射损耗的目标，在高性能激光透明陶瓷方面做出了有价值的探索性工作，对进一步降低散射损耗制备高质量激光透明陶瓷有积极的指导意义。