[发明专利]一种平板波导结构激光陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种包含平板波导结构的激光陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相等方面。固体激光器在激光发射过程中会产生大量废热，这些热量如果不及时散发出去会对增益介质产生扰动，影响光束质量，限制激光功率的提高，因此，必须对增益介质的结构进行优化设计。

波导结构是介质衬底表面上或内部形成的折射率相对较高的微型区域，这一区域被折射率较低的区域包裹，从而能将光限制在微米量级的结构内进行传输。将光波导结构应用于激光增益介质，其最大特点是它能够有效地限制光束发散，提高增益介质中的光密度，从而实现低阈值、高功率的激光输出。同时，将波导层包裹在热导率高的材料中，可及时传导激光发射中产生的废热，保证光束质量。Raytheon公司[Raytheon.Next-Generation Lasers for Advanced Active EO Systems.RAYTHEON TECHNOLOGY TODAY,2008,1:9-12.]已证明平板波导激光结构在小型、高效、高能固态激光器上具有应用的可能性。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]采用热键合技术制备了平板波导结构YAG/Nd:YAG/YAG激光晶体，光束质量因子M为2.6，光光转换效率达到了58%。然而该方法是将YAG与Nd:YAG单晶通过热键合的方式结合在一起，即将YAG与Nd:YAG单晶分别双面精细抛光，再在一定的温度下热处理，使YAG与Nd:YAG单晶界面处的原子相互扩散，以分子间作用力结合为一个整体。而热键合厚度为几十微米的单晶材料的难度很大，加工时材料易开裂，热键合后的材料界面结合强度不够高，同时会引入界面缺陷，使得大功率激光服役条件下的材料容易产生机械破坏。

固态激光器发展的最初阶段，都是以晶体和玻璃作为激光增益介质，因此目前国内外报道的大多是晶体和玻璃平板波导激光器。玻璃因其本身热学和机械性能较差，发展应用受到一定限制。近十几年来，激光陶瓷得到迅速发展，尤其是Nd:YAG陶瓷激光器，已实现100kW以上的激光输出[Georges Boulon.Fifty years of advances in solid-state laser materials.2012,34:499-512.]，同时Nd:YAG激光陶瓷也表现出了与晶体相当的光学质量。在Nd:YAG 激光陶瓷中实现类似的光波导结构，利用波导结构增加光密度，降低热效应，对激光陶瓷的发展将具有重要意义。

目前平板波导的制备工艺技术分为三类。一类以外延生长技术为主，包括液相外延技术、分子束外延技术和脉冲激光沉淀技术等，它们共同的特点是需要昂贵的专用设备和复杂的制备工艺，而且只能将晶格常数接近的材料组合在一起。另一类是通过改变某种材料的化学成分从而形成折射率差异的技术，包括离子掺杂、离子扩散和离子交换技术，它们制备成本低，但是器件的损耗很大。最后是后加工技术，包括热键合和飞秒激光加工技术，前者对微米级芯层的加工难度很高，后者价格昂贵。