课题基金 / 基金详情

蓝宝石包层铒激活CNGS晶体平面波导结构的一体化生长研究

批准号:
52102004
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
龚国亮
依托单位:
学科分类:
人工晶体与玻璃材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
龚国亮

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
平面波导激光器是高功率、高亮度全固态激光和系统小型化发展的重要方向之一,如何设计并制备高性能的平面波导增益介质是推进相关激光器件应用的关键科学问题。本项目以Er3+,Yb3+:Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)晶体为研究对象,根据其生长习性,采用蓝宝石沟槽作为模板,开展模板限域辅助CNGS激光晶体的定向生长研究,并充分利用该晶体与蓝宝石相匹配的晶格周期以及热膨胀特性,直接制备蓝宝石平面包层激光晶体的一体化结构。通过系统设计和调整模板结构尺寸,优化生长工艺参数,获得较大尺寸的蓝宝石包层平面波导。进而表征其微观结构组成、光学性能以及波导边界层完整性,揭示波导结构尺寸与导波特性之间的关联性规律。项目的实施将拓展出一类新型的平面波导制备方法,并为此类材料在高性能1.5μm波段平面波导固体激光器方面的开发和应用奠定基础。
英文摘要
Planar waveguide lasers are one of the most important directions for the development of high-power, high-brightness all-solid-state lasers and system miniaturization. How to design and prepare high-performance planar waveguide gain media is a key scientific issue to promote the application of related laser devices. This project takes Er3+, Yb3+:Ca3NbGa3Si2O14 (CNGS) crystal as the research object, based on its growth habit, the sapphire groove is used as a template to carry out the study on the template-assisted directional growth of the CNGS laser crystal , and by making full use of the matched lattice period and thermal expansion characteristics between this crystal and sapphire, an integrated structure of sapphire planar cladding laser crystal can be directly prepared. By systematically designing and adjusting the size of the template structure, optimizing the growth process parameters, a larger size sapphire-clad planar waveguide can be obtained. Then we will characterize the microstructure composition, optical performance and integrity of the waveguide boundary layer, and reveal the law of correlation between the size of the waveguide structure and the characteristics of waveguiding. The implementation of this project will expand a new type of planar waveguide preparation method and lay the foundation for the development and application of this material in the high-performance 1.5μm band planar waveguide solid-state laser.
平面波导激光器介质具有结构紧凑、抽运功率阈值低、散热效率高与输出光束质量高等特点,是高功率、高能量全固态激光发展的重要方向之一。Er,Yb:Ca3NbGa3Si2014晶体中Er离子的激光上能级4I13/2寿命长达5.8ms,发射谱带较宽,已实现瓦级的1.5μm波段连续激光运转,并在获得高能、短脉冲固体激光输出方面具有显著的光谱性能优势。此外,该晶体还具备c面生长习性,以及与蓝宝石晶体相匹配的热膨胀和晶格常数。可以通过蓝宝石沟槽模板辅助制备二维薄层单晶的生长,获得一体化平面包层结构,以同时解决CNGS晶体热导率不足和常用提拉法生长单晶的光学质量低等不利因素。 . 鉴于此,本项目开展了蓝宝石包层CNGS晶体的平面波导结构制备工作。在项目的前期开展了以下研究内容,获得了相应的结果:(1)优化金刚石线切割的线速和切速,减少蓝宝石沟槽边缘的崩边问题,可以获得沟槽宽度最低为0.3mm,沟槽深度与长度易于定制的尺寸设计。(2)将蓝宝石沟槽模板作为籽晶接触Er,Yb掺杂CNGS熔体,发现蓝宝石模板难以寻找合适的温度能同时兼顾抑制熔体粘度过大和防止蓝宝石末端严重腐蚀变形两个问题,难以继续开展预设内容。 基于CNGS的熔体粘度特性,进一步调整实验方案,开展了稀土掺杂化学计量组分CNGS的玻璃化制备和研究工作,获得了光学质量较高的Yb单掺杂,Er,Yb共掺CNGS系列玻璃,Yb和Er的吸收系数、光谱展宽、荧光衰减等光谱参数均与同掺杂浓度下的CNGS晶体样品接近,在Yb:CNGS玻璃样品中初步获得了120mW的1072nm连续激光输出,斜效率为5.7%;在Er,Yb:CNGS玻璃样品中初步获得了最高60mW的1560nm波段的连续激光输出,斜效率为2.1%。玻璃样品中水波纹是主要的散射缺陷,或依赖于淬冷过程的精确控温冷却、组分微调整等策略解决。利用CNGS玻璃薄片贴合蓝宝石晶体并开展低温晶化将是下一阶段开展平面波导结构研究的内容。 . 上述研究结果为化学计量比组分激光玻璃或光纤的开发和应用奠定了一定的理论和实验基础,具有重要的指导意义。
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