镱掺杂石榴石基平面波导激光陶瓷的制备与性能研究

摘要

面向高功率、高效率、高光束质量的全固态激光器的不断发展，激光增益介质热效应是限制其发展的主要因素，因此有必要对激光材料的组成分布进行优化设计。平面波导结构利用其独特的结构设计能够有效地减小热效应，还能实现低阈值、高功率激光输出。相比于单晶，激光陶瓷的结构可设计性强，易实现多种应用。通过流延成型方法结合真空烧结技术，就可以在陶瓷制备过程中得到平面波导结构。在众多稀土离子掺杂的石榴石基质的激光陶瓷中，Yb:YAG透明陶瓷具有单位面积增益高；吸收带宽，无需严格的温度控制即可获得合适的泵浦源波长，实现高浓度掺杂且没有浓度猝灭效应等优异的性能，而且目前激光二极管（LD）的泵浦功率不断提高也解决了早期 Yb:YAG泵浦阈值高，不易泵浦的缺点。平面波导Yb:YAG透明陶瓷成为了高功率、高效率固体激光器的理想增益介质。然而，随着Yb离子在YAG中掺杂浓度的增加，Yb:YAG的热导率会骤然下降，当基质为LuAG时，随Yb3+离子掺杂浓度的增加，Yb:LuAG热导率下降缓慢，且当Yb离子掺杂浓度超过5at.%时，Yb:LuAG的热导率比Yb:YAG的高。Yb:LuAG还具有较大的有效发射截面，更利于超短脉冲激光的输出。平面波导Yb:LuAG透明陶瓷有望成为高功率超短脉冲激光器的理想增益介质。本文选取Yb掺杂的石榴石基平面波导透明陶瓷为研究对象，以商业氧化物粉体为原料，采用非水基流延成型结合真空烧结技术制备了平面波导激光陶瓷，并对陶瓷的显微结构、光学性能及离子扩散分布展开研究。
　　本研究主要内容包括：⑴采用非水基流延成型制备了平面波导 YAG/10at%Yb:YAG/YAG陶瓷素坯，其中对原料粉体、流延膜、不同阶段的素坯进行了微观形貌观察。经过1775℃烧结30h得到的样品在可见光波段透过率接近80%，晶界干净清晰但存在少数晶内气孔。基于扩散定律研究了波导层内Y和Yb离子扩散分布，并分别拟合计算了扩散系数。⑵经过工艺的调整优化及烧结温度的改变，在1760℃烧结30h得到了平面波导YAG/10at%Yb:YAG/YAG透明陶瓷。3.5mm厚的样品透过率接近理论值，晶界清晰干净，无气孔及第二相。通过ICP-MS测试得到激活离子Yb的单向扩散距离为215μm。尺寸3.5×3.5×3.5mm3的样品实现了连续激光输出，其中在三镜腔下获得最佳激光性能显示单模激光，最大输出功率为1.6W，斜率效率为34.4%。⑶采用流延成型和陶瓷烧结工艺制备了平面波导LuAG/10at%Yb:LuAG/LuAG透明陶瓷，分别在1775、1800、1825℃下进行预烧结后进行热等静压（HIP）1700℃烧结后处理，重点研究了HIP后处理的陶瓷微观形貌、光学性能及掺杂离子Yb的扩散分布。随着预烧温度的升高，HIP后处理样品晶粒尺寸逐渐变大，透过率逐渐提高。其中预烧结温度为1825℃时，2mm厚样品透过率在1100nm处达74%，且Yb3+分布区域最宽，单向扩散距离达170μm。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 激光工作物质的热效应及其对激光性能的影响

1.3 平面波导激光陶瓷

1.4 流延成型技术

1.5 激活离子的选择

1.6 选题意义与研究内容

第二章 实验与测试表征

2.1 引言

2.2 实验原料与试剂

2.3 实验设备

2.4 测试与表征

第三章 平面波导Yb:YAG透明陶瓷的制备与性能研究

3.1 引言

3.2 实验工艺流程

3.3 原料、流延膜及素坯的制备与表征

3.4 平面波导Yb:YAG透明陶瓷性能初步研究

3.5平面波导Yb:YAG透明陶瓷性能优化研究

3.6 本章小结

第四章 平面波导Yb:LuAG透明陶瓷的制备与性能研究

4.1 引言

4.2原料、流延膜和素坯的表征

4.3 HIP后平面波导Yb:LuAG透明陶瓷性能初步研究

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文