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              上海矽酸鹽所在高性能Yb:Lu2O3激光陶瓷研究中取得進展
              2019-08-01 19:53:23 | 【 【打印】【關閉】

                高功率固體激光器在國防軍事、高端裝備制造、科學研究等領域具有廣泛應用。目前高功率固體激光增益介質中應用最爲廣泛的是Nd/Yb摻雜的激光材料。與Nd摻雜的激光材料(如Nd:YAG)相比,Yb摻雜激光材料的優點包括:Yb3+吸收帶與激光二極管(LD)有效耦合,吸收線寬大;量子虧損低,理論量子效率高;無輻射弛豫引起的熱負荷低;無激發態吸收和上轉換,光轉換效率高;熒光壽命長,有利于儲能。因此,Yb摻雜透明陶瓷適合用作高功率、大能量的固體激光增益介質。基質材料決定了增益介質的物化性能,對于高功率激光基質材料而言,高的熱導率是最关键的性能之一。Lu2O3YAG具有更高的熱導率,但其單晶熔點高達2490oC,現有技術難以制備出高質量、大尺寸Lu2O3單晶,但可在較低的燒結溫度下獲得高光學質量的Lu2O3透明陶瓷。因此,Lu2O3基透明激光陶瓷成爲非常有希望的候選者。由于Yb3+Lu3+離子半徑和原子質量非常接近,Yb:Lu2O3聲子能量低,且熱導率隨著Yb3+的摻雜濃度升高幾乎沒有變化(可實現高濃度摻雜);同時,Lu2O3熱膨脹系數低,抗熱震性能優異,故高光學質量的Yb:Lu2O3激光陶瓷被認爲是一種頗具發展潛力的高功率固體激光增益介質。 

                近期,中國科學院上海硅酸盐研究所李江研究员带领的透明與光功能陶瓷研究團隊與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進展。該團隊以共沈澱法制備的Yb:Lu2O3納米粉體爲原料,采用真空預燒結合熱等靜壓後處理工藝成功制備出了高質量的Yb:Lu2O3透明陶瓷。利用光纖耦合激光二極管(LD)在929.4nm處進行准連續(QCW)泵浦,實現了1033.4nm8.15W的最大激光功率輸出,斜率效率高達58.4%,相關結果發表在J. Am. Ceram. Soc.2019, doi: 10.1111/JACE.16674),文章第一作者爲上海矽酸鹽所碩博連讀研究生劉子玉,通訊作者爲李江研究員。 

                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質。Sc2O3熱導率高達17W/m×K,而且Yb:Sc2O3材料基態劈裂大,具有寬的發射帶,可進行較寬的波長調諧,實現超短脈沖放大。該團隊采用共沈澱法合成具有高分散性、高燒結活性的Yb:Sc2O3納米粉體,采用真空燒結技術獲得了高質量的Yb:Sc2O3透明陶瓷。利用光纖耦合968nm激光二極管(LD)泵浦Yb:Sc2O3陶瓷,實現了在1040nm2.44W連續激光輸出,斜率效率爲35%,可調諧激光波長範圍達55nmJ. Eur. Ceram. Soc., 2018, 38:1632-1638)。 

                相关研究工作得到中國科學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的納米粉體(左)和HIP后處理陶瓷的热腐蚀表面(右)的FESEM形貌圖

               

              Yb:Lu2O3透明陶瓷的吸收、發射光譜特性(左)和激光性能(右)     

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