[发明专利]一种固体热容激光器用透明陶瓷激光材料及其制备方法

说明书

技术领域 

本发明涉及一种固体热容激光器用透明陶瓷激光材料及其制备方法，属于透明陶瓷领域。

技术背景

自第一台激光器问世以来，高能激光器(激光武器)就成为许多国家追求的目标。20世纪中后期先后研发了高能钕玻璃激光器、气动CO₂激光器、化学激光器、自由电子激光器和X射线激光器。在1983年美国总统里根提出“战略防御倡议”后，高能激光器研发工作形成高潮。目前美国主要在研的激光武器计划包括天基激光器、机载激光器、地基反卫星激光器、舰载激光器以及战术高能激光器。目前有几种化学激光器的功率已经超过了几十万瓦，已经正式纳入武器装备的研发计划。目前激光武器的各项关键技术已经趋于成熟，但还存在不少技术上的困难，这些困难可能在最近几年得到有效解决。在2010年前后，激光武器将开始具备实战使用能力。在进入21世纪后，几种新型固体激光器的平均功率屡创新高，平均功率100KW有可能在近期可以实现。

高能固体激光器的潜在优势是：

1)固体激光器的激光波长较短，有利于在大气中传输。

2)固体激光器的质量轻、体积小，而且坚实。

3)可以定标放大，即按比例放大。

4)整个系统完全靠电运转。

5)没有化学污染。

6)运行成本低。

目前固体激光器比较有希望达到100KW的技术途径有：热容激光器(SSHCL)、紧凑有源反射镜激光器，侧抽运板条激光器和光纤激光器等多种。其中热容激光器是比较重要的一种。

热容激光器所需的支撑配套条件有很多，其中工作介质是实现激光运转的一个重要的支撑条件。对工作介质的主要要求是：尺寸大、掺杂均匀、吸收谱尽可能宽、导热率高等。

在1995年LLNL用钕玻璃板试验了灯抽运的SSHCL原型。在2001年用灯抽运钕玻璃板，输出平均功率达到13kW。美国不久制定了在2007年实现可以车装演示的100kWDPSSHCL的计划。在2004年用Nd:GGG晶体板实现了总峰值抽运功率1.2MW的激光输出，输出平均功率30kW。目前应用于热容激光器的工作介质主要是钕玻璃和Nd:GGG以及Yb:GGG。热容激光器的研究中效果比较好的工作介质是Nd:GGG，主要原因是和Nd:YAG相比它的晶锭没有核心，可以提供直径15cm以上的晶片。Yb:GGG被认为是一种极有潜力的晶体工作介质。

激光最大提取能量和工作介质直径的1.5次方成正比。这也就是说，工作介质越大，激光的能量越高。目前制备钕玻璃的技术已经很成熟了，可以制备很大尺寸的玻璃板，但是玻璃有其自身的缺点，比如热导率较低，热膨胀系数较大。这样导致钕玻璃激光器的重复率很低。在热容激光器中，通向较高平均功率的通路不是通过常规地增加每个脉冲能量的方法，而是增加脉冲的重复率。这迫使我们必须放弃钕玻璃作为热容激光器的工作介质，转向晶体材料。Nd:GGG材料的热扩散率约是玻璃的十倍。破裂应力约是玻璃的5倍，因此被认为是一种较好的工作介质。但就目前单晶生长技术而言，生长GGG单晶的成本随单晶尺寸大小的增加呈几何级数的增加，并且随尺寸的增加，晶体内部的缺陷也在增加。因此优质大尺寸的GGG单晶很难得到。

激光陶瓷材料是最近十几年发展起来的新型激光材料，是目前研究的重点和热点。激光陶瓷材料有可能解决这一问题。

透明陶瓷作为激光工作物质，有着它的优越性。比如容易制造，所需的时间较短，烧结温度低于同组分单晶的熔融温度；费用低，单晶需要在一些贵金属的坩锅中生长，陶瓷的制备不需要坩锅，而且制造速度更快；尺寸大，大批量生产，陶瓷适合流水线作业，减少时间和费用，但单晶却不然。还可以制备一些目前单晶技术难以制备的高熔点化合物的透明激光工作介质材料。

固体热容激光器的输出能量正比于工作介质的质量(m)、热容量(Cp)和工作温差(dT)即：

E∝mC_pdT

也就是说在热容量和温差相近的情况下，密度越大，激光的输出能量越大。在获得相同激光输出能量的情况下，密度越大，需要的材料的体积越小。有可能使得激光器体积更小，结构更紧凑。