一种异质复合激光材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种异质复合激光材料及其制备方法和应用，属于激光材料技术领域。本发明专利技术所述异质复合激光材料中，交替层叠的激光增益介质层和散热介质层相互交替键合，具有多层三明治结构，散热介质层交错置于激光增益介质层之间，形成内置高散热结构(即散热介质层)，每层激光增益介质层两端直接接触散热介质层，通过设计激光增益介质层极高的径厚比，使得激光增益介质的散热效果与薄片激光器中激光增益介质的散热性能接近，得到高散热激光复合材料，从而有效解决激光增益腔中由于热效应引起的光束质量降低、输出功率受限等问题，可用于高功率和高能量激光技术领域。高功率和高能量激光技术领域。高功率和高能量激光技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种异质复合激光材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及激光材料
，尤其涉及一种异质复合激光材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]基于激光二极管(LD)的泵浦固态激光器(DPSSL)，具有高能量、高效率、紧凑等优势，在聚变能工程(IFE)固态激光驱动器、超高强度激光与物质相互作用研究、激光软硬杀伤、光电对抗、同位素分离、新一代再生能源、高能应用如粒子加速、强X
‑
射线产生等领域具有广阔的应用前景。
[0003]在固态激光器系统中，激光介质吸收泵浦能量后，部分转化为热能、沉积在介质内部，在介质中形成温度梯度和热应力，引起介质折射率变化，产生热透镜效应、热致双折射退偏、热致波前畸变，导致光束质量降低。若热应力过大、可导致激光介质炸裂，制约泵浦功率密度和重复频率提高，进而影响激光输出能量等。因此，热效应严重制约高能量固态激光器的进一步发展，迫切需要发展热管理技术，以适应重复频率、高能量激光器的发展需要。
[0004]针对上述高能量激光器系统中存在的热管理问题，业界广泛采用激光复合材料等应对方案。在众多复合材料制备技术中，热扩散键合法曾长时间占据主流，主要针对同种基质(同质)制备激光复合材料，诸如YAG/Nd:YAG、YAG/Yb:YAG等。热扩散键合法仅侧重复合材料端面冷却，核心设计理念在于减少由端面变形引起的热透镜效应。但随着输出功率需求的不断提高，尤其百瓦级、千瓦级，甚至万瓦级功率输出时，激光增益介质内部热效应变得严重。根据目前研究进展可知，热扩散键合只适用于具有相同材料之间的键合，不适用于异质材料如激光增益介质与具有更高热导率材料之间的键合。故，热扩散键合法不能解决高输出功率激光系统中激光增益介质内部的热效应问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种异质复合激光材料及其制备方法和应用，所述异质复合激光材料具有内部高散热性能，可用于高功率和高能量激光

[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种异质复合激光材料，包括依次交替层叠设置的散热介质层和激光增益介质层，所述散热介质层的层数为n+1；所述激光增益介质层的层数为n，其中n≥1；所述异质复合激光材料的最外层均为散热介质层；所述散热介质层的表面直径与激光增益介质层厚度之比为(5～100):1。
[0008]优选的，所述激光增益介质层的组成包括(RE
x
R1‑
x
)2SiO5激光晶体，其中，RE为Yb
3+
、Nd
3+
、Tm
3+
、Ho
3+
、Er
3+
、Pr
3+
、Sm
3+
和Dy
3+
中的一种或几种；R为Gd
3+
、Sc
3+
、Lu
3+
、Y
3+
和La
3+
中的一种或几种；0.001≤x≤0.3；或者，所述激光增益介质层的组成包括稀土离子掺杂的阴离子基团激光晶体、立方晶系激光陶瓷、激光玻璃、过渡金属离子掺杂钛宝石或非线性晶体；所述稀土离子为Yb
3+
、Nd
3+
、Tm
3+
、Ho
3+
、Er
3+
、Pr
3+
、Sm
3+
和Dy
3+
中的一种或几种；所述稀土离子掺杂
的阴离子基团激光晶体中阴离子基团包括铝酸根、钒酸根、硅酸根或铌酸根；所述立方晶系激光陶瓷包括Y3Al5O
12
、Lu3Al5O
12
、Gd3Ga5O
12
、CaF2或Y2O3；所述激光玻璃包括磷酸盐激光玻璃或碲酸盐激光玻璃；所述过渡金属离子包括Ti
3+
；所述非线性晶体包括LBO、KTP、KDP、BBO、BiBO、CLBO或KBBF。
[0009]优选的，所述散热介质层的组成包括蓝宝石、块体饱和吸收体或二维饱和吸收体。
[0010]优选的，每层所述激光增益介质层的厚度独立为0.1～20.0mm。
[0011]优选的，每层所述散热介质层的厚度独立为0.1～5.0mm。
[0012]优选的，所述激光增益介质层中RE的掺杂浓度按照泵浦光传播方向依次增加。
[0013]本专利技术提供了上述技术方案所述异质复合激光材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]将激光增益介质层对应的原料和散热介质层对应的原料置入键合设备后，采用高能光源对所述激光增益介质和散热介质的待键合面分别进行表面活化处理后，将两个待键合面接触，进行键合，重复进行所述原料置入键合设备、表面活化处理和键合的过程，直至得到对应层数的异质复合激光材料。
[0015]优选的，所述表面活化处理的温度为10～300℃，活化时间为10s～1h。
[0016]优选的，所述表面活化处理在真空气氛中进行，所述真空气氛的真空度为10
‑3～10
‑7Pa；所述键合的压力为20～500牛顿。
[0017]本专利技术提供了上述技术方案所述异质复合激光材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的异质复合激光材料在高功率、高能量激光领域中的应用；所述高功率、高能量激光领域包括LD泵浦的紫外光、可见光、近红外、中远红外高能量激光领域。
[0018]本专利技术提供了一种异质复合激光材料，包括依次交替层叠设置的散热介质层和激光增益介质层，所述散热介质层的层数为n+1；所述激光增益介质层的层数为n，其中n≥1；所述异质复合激光材料的最外层均为散热介质层；所述散热介质层的表面直径与激光增益介质层厚度之比为(5～100):1。本专利技术所述异质复合激光材料中，交替层叠的激光增益介质层和散热介质层相互交替键合，具有多层三明治结构，散热介质层交错置于激光增益介质层之间，形成内置高散热结构(即散热介质层)，每层激光增益介质层两端直接接触散热介质层，通过设计激光增益介质层极高的径厚比(即散热表面直径/激光增益介质层厚度)，在纵向泵浦的平顶泵浦光束作用下产生垂直于圆盘表面、几乎均匀的轴向一维热流，因而可以减小热透镜效应，使得激光增益介质的散热效果与薄片激光器中激光增益介质的散热性能接近，得到高散热激光复合材料，从而有效解决激光增益腔中由于热效应引起的光束质量降低、输出功率受限等问题，可用于高功率和高能量激光
本专利技术所述异质复合激光材料可在每层激光增益介质的两个端面同时散热，兼具端面与内部冷却方式的双面冷却方式，可在激光增益介质端面和内部同时高效散热，而传统热扩散键合法的端面冷却方式仅在靠近散热介质的激光增益介质一端散热。
[0019]本专利技术提供了所述异质复合激光材料的制备方法，本专利技术采用高能光源对激光增益介质层与散热介质层进行表面活化后，在各自表面分别产生无定形化合态，使得激光增益介质层与散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质复合激光材料，其特征在于，包括依次交替层叠设置的散热介质层和激光增益介质层，所述散热介质层的层数为n+1；所述激光增益介质层的层数为n，其中n≥1；所述异质复合激光材料的最外层均为散热介质层；所述散热介质层的表面直径与激光增益介质层厚度之比为(5～100):1。2.根据权利要求1所述的异质复合激光材料，其特征在于，所述激光增益介质层的组成包括(RE
x
R1‑
x
)2SiO5激光晶体，其中，RE为Yb
3+
、Nd
3+
、Tm
3+
、Ho
3+
、Er
3+
、Pr
3+
、Sm
3+
和Dy
3+
中的一种或几种；R为Gd
3+
、Sc
3+
、Lu
3+
、Y
3+
和La
3+
中的一种或几种；0.001≤x≤0.3；或者，所述激光增益介质层的组成包括稀土离子掺杂的阴离子基团激光晶体、立方晶系激光陶瓷、激光玻璃、过渡金属离子掺杂钛宝石或非线性晶体；所述稀土离子为Yb
3+
、Nd
3+
、Tm
3+
、Ho
3+
、Er
3+
、Pr
3+
、Sm
3+
和Dy
3+
中的一种或几种；所述稀土离子掺杂的阴离子基团激光晶体中阴离子基团包括铝酸根、钒酸根、硅酸根或铌酸根；所述立方晶系激光陶瓷包括Y3Al5O
12
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【专利技术属性】
技术研发人员：郑丽和，杨洁，赵建斌，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：