[發明專利]一種平板波導結構激光陶瓷材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201410156557.4
• 申請日: 2014-04-18
• 公開（公告）號: CN105000876A
• 公開（公告）日: 2015-10-28
• 發明（設計）人: 葛琳;李江;潘裕柏;周智為;謝騰飛;巴學巍;尹瑞;李偉;陳敏;劉秉龍;寇華敏;石云;馮錫淇;郭景坤
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/44
• 分類號: C04B35/44;C04B35/622;H01S3/063;H01S3/06
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及一種激光陶瓷材料及其制備方法，具體涉及一種包含平板波導結構的激光陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

固體激光器在軍事、加工、醫療和科學研究領域有廣泛的用途。它常用于測距、跟蹤、制導、打孔、切割和焊接、半導體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科和眼科手術、等離子體診斷、脈沖全息照相等方面。固體激光器在激光發射過程中會產生大量廢熱，這些熱量如果不及時散發出去會對增益介質產生擾動，影響光束質量，限制激光功率的提高，因此，必須對增益介質的結構進行優化設計。

波導結構是介質襯底表面上或內部形成的折射率相對較高的微型區域，這一區域被折射率較低的區域包裹，從而能將光限制在微米量級的結構內進行傳輸。將光波導結構應用于激光增益介質，其最大特點是它能夠有效地限制光束發散，提高增益介質中的光密度，從而實現低閾值、高功率的激光輸出。同時，將波導層包裹在熱導率高的材料中，可及時傳導激光發射中產生的廢熱，保證光束質量。Raytheon公司[Raytheon.Next-Generation?Lasers?for?Advanced?Active?EO?Systems.RAYTHEON?TECHNOLOGY?TODAY,2008,1:9-12.]已證明平板波導激光結構在小型、高效、高能固態激光器上具有應用的可能性。Kang等[H.X.Kang,H.Zhang?et?al.An?end-pumped?Nd:YAG?planar?waveguide?laser?with?an?optical?to?optical?conversion?efficiency?of58%.The?Laser?Physics?Letters,2008,5(12):879-881]采用熱鍵合技術制備了平板波導結構YAG/Nd:YAG/YAG激光晶體，光束質量因子M為2.6，光光轉換效率達到了58%。然而該方法是將YAG與Nd:YAG單晶通過熱鍵合的方式結合在一起，即將YAG與Nd:YAG單晶分別雙面精細拋光，再在一定的溫度下熱處理，使YAG與Nd:YAG單晶界面處的原子相互擴散，以分子間作用力結合為一個整體。而熱鍵合厚度為幾十微米的單晶材料的難度很大，加工時材料易開裂，熱鍵合后的材料界面結合強度不夠高，同時會引入界面缺陷，使得大功率激光服役條件下的材料容易產生機械破壞。

固態激光器發展的最初階段，都是以晶體和玻璃作為激光增益介質，因此目前國內外報道的大多是晶體和玻璃平板波導激光器。玻璃因其本身熱學和機械性能較差，發展應用受到一定限制。近十幾年來，激光陶瓷得到迅速發展，尤其是Nd:YAG陶瓷激光器，已實現100kW以上的激光輸出[Georges?Boulon.Fifty?years?of?advances?in?solid-state?laser?materials.2012,34:499-512.]，同時Nd:YAG激光陶瓷也表現出了與晶體相當的光學質量。在Nd:YAG?激光陶瓷中實現類似的光波導結構，利用波導結構增加光密度，降低熱效應，對激光陶瓷的發展將具有重要意義。

目前平板波導的制備工藝技術分為三類。一類以外延生長技術為主，包括液相外延技術、分子束外延技術和脈沖激光沉淀技術等，它們共同的特點是需要昂貴的專用設備和復雜的制備工藝，而且只能將晶格常數接近的材料組合在一起。另一類是通過改變某種材料的化學成分從而形成折射率差異的技術，包括離子摻雜、離子擴散和離子交換技術，它們制備成本低，但是器件的損耗很大。最后是后加工技術，包括熱鍵合和飛秒激光加工技術，前者對微米級芯層的加工難度很高，后者價格昂貴。