激光增益材料中的热导率和管理

美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究人员回顾了纳米/微结构对多晶陶瓷光学、热学和机械性能的影响，各种常用晶体激光材料的最新发展，以及用于高功率应用的更稳健激光增益材料的潜在未来方向。《Journal of Applied Physics》。

在设计固态激光系统时，热管理是最重要的考虑因素之一，因为一部分光泵功率被转换为废热，而不是光激光功率。增益介质中的热梯度会导致热透镜效应（降低光束质量）并最终导致热应力断裂。系统级的管理策略包括激光晶体的水冷和高导热散热器的使用。图 1 显示了边缘泵浦激光器设计的示意图，其中增益介质与两个散热器直接接触。增益介质和散热器之间的大接触面积允许有效散热和高总激光功率。无论泵浦/冷却方案如何，最大可传输激光功率直接与增益介质的热导率 k 成比例， k 增加 10 倍意味着激光功率提高 10 倍，因此增益介质本身的热导率对激光器的整体性能起着至关重要的作用。

自 1960 年 Maiman 首次展示红宝石激光器以来，研究人员已经研究了许多材料系统作为固态激光增益介质的候选材料。其中，应用最广泛的主体材料包括钇铝石榴石（YAG）、玻璃、蓝宝石等。随着激光技术的发展，提高激光功率的愿望越来越受到关注。如前所述，基本功率限制由热导率（控制热梯度）和机械性能（控制断裂）决定，从而导致识别和开发具有根本优越的热/机械性能的主体材料至关重要。

图1。（a）将多晶陶瓷增益介质集成到二极管泵浦激光器设计中的示意图。（b） 三个轴分别用于泵浦、激光和冷却。（c）陶瓷在冷却方向上具有微米尺寸，但在光学方向（泵浦和激光）上具有纳米尺寸，以便提供高导热性（最小声子散射）和优异的光束质量（最小双折射散射）。

为此，在未来的高功率激光器设计中，有用的策略是开发微结构设计同时考虑光学和热性能的增益材料。该提议的微观结构设计中，晶粒尺寸是高度各向异性的。沿着泵浦和激光光轴时，晶粒尺寸处于深亚波长、纳米级，以减少光散射。相比之下，沿冷却轴，它们的晶粒尺寸更大，在微米范围内，以尽量减少沿晶界的声子散射。

为此，研究人员对微结构对多晶陶瓷透明度和导热性的影响进行了详细分析，以探索未来具有优异泵浦能力的激光增益材料。首先他们对微观结构对光学特性影响和微观结构对热导率影响进行了详细介绍。接着，讨论了各种晶体材料系统的热和机械性能，包括单晶和多晶形式。对光学各向同性材料，包括YAG，倍半氧化物，CaF2，和光学各向异性材料，包括正钒酸钇（YVO4），氧化铝（Al2O3），氟磷灰石，氮化铝，以及耦合光热建模进行了分析。他们回顾了最有前景的晶体材料的导热率和断裂韧性。由于立方激光材料（如 YAG 和倍半氧化物）的热导率有限，因此使用更高热导率和更好机械韧性的非立方材料（如 Al2O3 和 AlN）将是未来高功率激光器的关键。为了实现高光学透明度和高热导率，具有排列的高纵横比晶粒（棒或盘）的排列微结构尤其有益。同时，与单晶相比，多晶陶瓷表现出的断裂韧性增强可能对提高激光功率特别有益。

虽然各向异性材料氧化铝和氮化铝具有显着的热机械优势，但双折射散射在制造具有极低光损耗的材料方面带来了挑战，利用精心设计的各向异性微结构的概念，将为未来在高功率激光器中使用这些材料提供有效途径。