[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

而本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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RE_x:Y_3-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，本发明的有益效果是：