稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料及其制备方法技术

一种稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料，其组成包括YAG以及RE:YAG，结构为两边YAG、中间RE:YAG，其中YAG的分子式为Y3Al5O12，RE:YAG的分子式为REx:Y3‐xAl5O12，0.003≤x≤0.3，RE是Yb3+,Nd3+或Ho3+。本发明专利技术通过单晶陶瓷复合工艺，与单晶结合部分的陶瓷将和初始单晶融为一体，得到YAG陶瓷包层RE:YAG单晶或者YAG单晶包层RE:YAG陶瓷的三明治复合结构，提高增益介质热性能，增大激光泵浦强度，实现更大能量激光输出；同时，获得很好的增益输出和光束质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合结构激光材料，特别是一种稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料及其制备方法。
技术介绍
RE:YAG是非常重要的激光材料，其中，RE，也即稀土离子指的是Yb(镱)，Nd(钕)和Ho(钬)离子。YAG(钇铝石榴石)由于其立方晶系的特征，表现出良好的光学性能，同时由于其优异的力学性能，在激光增益介质中有广泛的应用。基于稀土离子掺杂的YAG材料有多种结构形式：棒状、片状、柱状、光纤等等，均有报道。而本专利技术中设计的三明治结构，利用RE:YAG和YAG折射率不同而实现光路全反射，在限制泵浦光的同时，也限制了产生的激光，在中间层RE:YAG满足一定厚度的时候，能实现光束质量非常好的激光输出(M2接近1)。另外，所有大功率激光器的一个重大难题就是热处理问题，三明治结构在大功率激光器中的应用的成功案例是美国的Raytheon公司的Yb:YAG平面波导结构，已经实现了15kw的激光输出，国内亦有类似工艺，无论是中科院物理研究所提出的具有输出大功率激光器中使用的层状激光晶体还是中国电子科技集团公司第十一研究所提出的三明治结构增益介质板条，增益介质和包层材料为单一的单晶或者陶瓷。而激光器在产生高功率激光的同时，有大量的热扩散到增益介质中，如果缺乏很好的散热机制，热量集中的区域将会产生热棱镜效应，甚至损坏激光增益介质。此前例举的三明治结构，在大功率激光输出时，初始单晶-单晶或者陶瓷-陶瓷键合面会聚集大量热量而先崩裂，限制了其在高功率激光器件上的应用。
技术实现思路
本专利技术通过设计稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料，利用陶瓷单晶化这个过程，实现消除初始单晶陶瓷键合面而获得一种完全一体化的复合结构。本专利技术的技术解决方案如下：一种稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料，其组成包括YAG以及RE:YAG，结构为两边YAG、中间RE:YAG，其中YAG的分子式为Y3Al5O12，RE:YAG的分子式为REx:Y3-xAl5O12，0.003≤x≤0.3，RE是Yb3+,Nd3+或Ho3+。所述激光材料的结构是两边YAG单晶、中间RE:YAG陶瓷，或者是两边YAG陶瓷、中间RE:YAG单晶。一种稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料的制备方法该方法包括下列步骤：<1>陶瓷单晶的处理：将两块YAG陶瓷和一块浓度掺杂为x的RE：YAG单晶按一定尺寸切割成三块形状尺寸相同的平面体，对各个平面体的上下表面进行抛光处理，然后按照YAG|RE:YAG|YAG的顺序将各抛光面进行光胶，即在厚度方向按YAG|RE:YAG|YAG顺序叠加起来，相邻的两个面做光胶；<2>复合结构的制备将光胶后的样品在真空烧结炉中，于1750～1850℃下保温10～40h，得到稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料。步骤<1>中，还可以将两块YAG单晶和一块一定浓度掺杂的RE:YAG陶瓷按一定尺寸切割加工。后续步骤不变。所述平面体包括长方体或圆柱体。当所述平面体为长方体，其各块长方体的长宽相等；当所述平面体为圆柱体，其各块圆柱体的面积相等。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术利用陶瓷单晶化过程，也即陶瓷在与之光胶的单晶的诱导下，在一定热处理后转变成单晶的过程，之前存在的初始光胶面将消失，进而实现三明治复合结构的整体统一性，这一点是其他复合结构，也即单晶-单晶或者陶瓷-陶瓷复合无法实现的。当复合结构成为一个整体后，初始光胶面过热的现象将得到解决。这样，在泵浦光的激发下，过热而使键合区域崩裂的现象就不再发生。从而大大提高复合结构的热稳定性，同时更加适用于高功率激光器件。增益介质热性能提高，激光泵浦强度增大，实现更大能量激光输出；同时，三明治复合结构可利用全反射，限制泵浦光和产生的激光传播，获得很好的增益输出和光束质量。附图说明图1是本专利技术三明治复合结构激光材料的结构示意图。图2是本专利技术三明治复合结构激光材料两边YAG单晶、中间RE:YAG陶瓷的主视图。图3是本专利技术三明治复合结构激光材料两边YAG陶瓷、中间RE:YAG单晶的主视图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术保护范围。实施例1：将一块x＝0.03的Yb:YAG陶瓷切割成30mm*20mm*1mm的长方体，另取两块YAG单晶切割成30mm*20mm*10mm的长方体，对所有长方体上下表面抛光，按照YAG|Yb:YAG|YAG的顺序，将三块长方体按厚度方向叠层，并将相邻两面光胶。将光胶好的三明治复合结构放入真空烧结炉中，抽真空至9*10-3Pa，在1800℃下保温20h，得到最终样品。其余各实施参数见下表：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料，其特征在于，其组成包括YAG以及RE:YAG，结构为两边YAG、中间RE:YAG，其中YAG的分子式为Y3Al5O12，RE:YAG的分子式为REx:Y3‐xAl5O12，0.003≤x≤0.3，RE是Yb3+,Nd3+或Ho3+。

【技术特征摘要】
1.一种稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料，其
特征在于，其组成包括YAG以及RE:YAG，结构为两边YAG、中间RE:YAG，其中
YAG的分子式为Y3Al5O12，RE:YAG的分子式为REx:Y3‐xAl5O12，0.003≤x≤0.3，RE
是Yb3+,Nd3+或Ho3+。
2.根据权利要求1所述的稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合
结构激光材料，其特征在于，该激光材料的结构是两边YAG单晶、中间RE:YAG
陶瓷，或者是两边YAG陶瓷、中间RE:YAG单晶。
3.根据权利要求1所述的稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合
结构激光材料的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
<1>将两块YAG和一块RE:YAG材料切割成三块形状尺寸相同的平面体，对<...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜本学，甘啟俊，张攀德，姜益光，陈水林，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31