上海硅酸盐所在高性能Yb:Lu2O3激光陶瓷研究中取得进展

发布时间:2019-08-01

  高功率固体激光器在国防军事、高端装备制造、科学研究等领域具有广泛应用。目前高功率固体激光增益介质中应用最为广泛的是Nd/Yb掺杂的激光材料。与Nd掺杂的激光材料(如Nd:YAG)相比,Yb掺杂激光材料的优点包括:Yb3+吸收带与激光二极管(LD)有效耦合,吸收线宽大;量子亏损低,理论量子效率高;无辐射弛豫引起的热负荷低;无激发态吸收和上转换,光转换效率高;荧光寿命长,有利于储能。因此,Yb掺杂透明陶瓷适合用作高功率、大能量的固体激光增益介质。基质材料决定了增益介质的物化性能,对于高功率激光基质材料而言,高的热导率是最重要的性能之一。Lu2O3YAG具有更高的热导率,但其单晶熔点高达2490oC,现有技术难以制备出高质量、大尺寸Lu2O3单晶,但可在较低的烧结温度下获得高光学质量的Lu2O3透明陶瓷。因此,Lu2O3基透明激光陶瓷成为非常有希望的候选者。由于Yb3+Lu3+离子半径和原子质量非常接近,Yb:Lu2O3声子能量低,且热导率随着Yb3+的掺杂浓度升高几乎没有变化(可实现高浓度掺杂);同时,Lu2O3热膨胀系数低,抗热震性能优异,故高光学质量的Yb:Lu2O3激光陶瓷被认为是一种颇具发展潜力的高功率固体激光增益介质。 

  近期,中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员带领的透明与光功能陶瓷研究团队与意大利国立光学系统研究所和意大利国立应用物理研究所合作,在Yb:Lu2O3激光陶瓷研究中取得进展。该团队以共沉淀法制备的Yb:Lu2O3纳米粉体为原料,采用真空预烧结合热等静压后处理工艺成功制备出了高质量的Yb:Lu2O3透明陶瓷。利用光纤耦合激光二极管(LD)在929.4nm处进行准连续(QCW)泵浦,实现了1033.4nm8.15W的最大激光功率输出,斜率效率高达58.4%,相关结果发表在J. Am. Ceram. Soc.2019, doi: 10.1111/JACE.16674),文章第一作者为上海硅酸盐所硕博连读研究生刘子玉,通讯作者为李江研究员。 

  倍半氧化物陶瓷(Sc2O3Lu2O3Y2O3)由于其热导率高、热机械性能好、光学性能优异及宽波段透明等特点,是非常有前景的高性能激光增益介质。Sc2O3热导率高达17W/m×K,而且Yb:Sc2O3材料基态劈裂大,具有宽的发射带,可进行较宽的波长调谐,实现超短脉冲放大。该团队采用共沉淀法合成具有高分散性、高烧结活性的Yb:Sc2O3纳米粉体,采用真空烧结技术获得了高质量的Yb:Sc2O3透明陶瓷。利用光纤耦合968nm激光二极管(LD)泵浦Yb:Sc2O3陶瓷,实现了在1040nm2.44W连续激光输出,斜率效率为35%,可调谐激光波长范围达55nmJ. Eur. Ceram. Soc., 2018, 38:1632-1638)。 

  相关研究工作得到中国科学院前沿科学重点研究计划项目(院青年拔尖人才项目)、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、上海硅酸盐所重点学科建设项目等资助。  

 

Yb:Lu2O3的纳米粉体(左)和HIP后处理陶瓷的热腐蚀表面(右)的FESEM形貌图

 

Yb:Lu2O3透明陶瓷的吸收、发射光谱特性(左)和激光性能(右)