本發(fā)明屬于激光，特別是涉及一種基于結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、激光增益介質(zhì)是產(chǎn)生激光的必要條件之一，增益介質(zhì)從材料角度決定了最終產(chǎn)生激光的性能，例如增益帶寬、發(fā)光峰位和增益系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。目前，激光介質(zhì)材料的調(diào)控方法局限于材料組分的調(diào)控，例如玻璃中網(wǎng)絡(luò)修飾離子摻雜，晶體中等化學(xué)價(jià)離子取代或多種激活離子的共摻雜。前兩種方法都是通過改變激活離子的周圍局域環(huán)境，從而影響激活離子的stark能級分裂，實(shí)現(xiàn)對寬帶或發(fā)光峰位調(diào)控；激活離子的共摻則是通過激活離子間的能量傳遞相互作用，對光譜特性進(jìn)行調(diào)控。

2、然而，通過改變激活離子的周圍局域環(huán)境進(jìn)行光譜調(diào)控時，受限于材料的本征特性或成型方式，調(diào)控限度往往較小，例如激光玻璃受限于玻璃形成區(qū)，無法在一種玻璃介質(zhì)中同時獲得多種玻璃類型的優(yōu)勢特性。顯然，通常也無法在一種介質(zhì)中同時獲得激光玻璃與激光晶體的優(yōu)勢特性。例如文獻(xiàn)（er-doped?silicate?fiber?amplifiers?in?the?l-band?with?flat?gain，vol.?49,?no.?4?/?15?february?2024?/?optics?letters）通過堿金屬和堿土金屬等玻璃網(wǎng)絡(luò)修飾體的摻雜調(diào)控發(fā)光特性，然而過多的修飾體摻雜將導(dǎo)致玻璃熱學(xué)性能下降。

3、通過多種激活離子共摻雜的方式調(diào)控激光介質(zhì)發(fā)射譜時，由于激活離子復(fù)雜的能級結(jié)構(gòu)，多種離子之間往往存在無法避免的非必要能量傳遞，導(dǎo)致激光介質(zhì)材料的發(fā)射效率降低。例如文獻(xiàn)（dy3+/er3+/tm3+tri-doped?tellurite?glass?with?enhanced?broadbandmid-infrared?emission，optics&laser?technology?149?(2022)?107904）通過多稀土離子共摻的方式實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)光，然而dy3+和tm3+的共摻將會導(dǎo)致er3+離子熒光壽命的減小，最終導(dǎo)致發(fā)光效率降低。

4、因此，需要一種新型的激光介質(zhì)，該激光介質(zhì)可結(jié)合多種增益材料的基本特性，可避免多種激活離子共摻時的非必要能量傳遞，并可對增益譜進(jìn)行調(diào)控；從而滿足特種固體激光器的應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為豐富當(dāng)前激光介質(zhì)增益譜的調(diào)控方法，解決當(dāng)前激光介質(zhì)材料屬性單一、多種稀土共摻時易產(chǎn)生非必要能量傳遞的問題，本發(fā)明提供一種基于結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)及其制備方法。

2、本發(fā)明的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。

3、一種基于結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)，包括結(jié)構(gòu)復(fù)合的多種不同類型的激光介質(zhì)；所述結(jié)構(gòu)復(fù)合的方式包括串聯(lián)復(fù)合和并聯(lián)復(fù)合；所述激光介質(zhì)包括基質(zhì)材料和摻雜的激活離子；所述基質(zhì)材料為激光玻璃、激光晶體或激光陶瓷；所述激光介質(zhì)中摻雜的激活離子包括稀土離子、過渡金屬離子或重金屬離子。

4、進(jìn)一步地，當(dāng)所述多種不同類型的激光介質(zhì)的基質(zhì)材料相同時，其摻雜的激活離子不同；

5、當(dāng)所述多種不同類型的激光介質(zhì)中摻雜的激活離子相同時，其基質(zhì)材料不同；

6、或者所述多種不同類型的激光介質(zhì)中摻雜的激活離子與基質(zhì)材料均不相同；

7、所述激光介質(zhì)中摻雜的激活離子包括稀土離子（優(yōu)選nd、yb、er、tm、ho等）、過渡金屬離子（優(yōu)選cr、mn等）或重金屬離子（優(yōu)選bi、te等）。

8、進(jìn)一步地，按串聯(lián)復(fù)合的多種不同類型的激光介質(zhì)中，多種不同類型的激光介質(zhì)按照串聯(lián)的先后順序，從一端到另一端依次被泵浦，且激光在其中傳輸時按所述先后順序依次通過不同類型的激光介質(zhì)。

9、進(jìn)一步地，按并聯(lián)復(fù)合的多種不同類型的激光介質(zhì)中，多種不同類型激光介質(zhì)被同時泵浦，并同時產(chǎn)生出不同特性的多種光，多種光同時在激光介質(zhì)內(nèi)傳輸。

10、進(jìn)一步地，按串聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合的多種不同類型的激光介質(zhì)中，相鄰的激光介質(zhì)之間的熱熔復(fù)合界面具有0~10°的傾斜角。

11、進(jìn)一步地，串聯(lián)復(fù)合時激光介質(zhì)的長度≥3?μm，并聯(lián)復(fù)合時激光介質(zhì)的橫截面口徑≥3?μm。

12、進(jìn)一步地，在任意兩個不同的激光介質(zhì)的復(fù)合界面中，離子擴(kuò)散距離≤1.5μm。

13、一種基于結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)的制備方法，包括以下步驟：

14、s1、制備多種不同類型的激光介質(zhì)：

15、s2、結(jié)構(gòu)復(fù)合激光介質(zhì)的熱熔分區(qū)復(fù)合：將s1步驟中所制備多種不同類型的激光介質(zhì)按照設(shè)定的結(jié)構(gòu)復(fù)合方式將其表面緊密貼合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱熔分區(qū)復(fù)合，獲得熱熔復(fù)合后的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)；

16、s3、熱熔分區(qū)復(fù)合后激光介質(zhì)的冷加工：此時，由于高溫?zé)崛圻^程，結(jié)構(gòu)復(fù)合的激光介質(zhì)可能存在一定的微變形或表面受損，根據(jù)熱熔鍵合界面的方向?qū)崛鄯謪^(qū)復(fù)合后的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)進(jìn)行冷加工，包括切割，拋光等，最終獲得結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)。

17、進(jìn)一步地，步驟s1中，對于激光玻璃增益介質(zhì)，通過高溫熔融-退火法、溶膠-凝膠法、或3d打印等方法制備激光玻璃材料，可將熔融玻璃液澆鑄在的定制模具中獲得特定形狀的增益介質(zhì)或通過切割、車削等機(jī)械加工方法獲得所需形狀的增益介質(zhì)。對于激光晶體材料，按需選定晶體取向，并沿晶面進(jìn)行機(jī)械切割加工獲得特定形狀的晶體增益介質(zhì)。獲得激光介質(zhì)后，對其表面進(jìn)行光學(xué)級拋光，表面粗糙度ra小于1?μm。

18、進(jìn)一步地，步驟s2中，激光玻璃之間熱熔復(fù)合時，可直接將復(fù)合的界面貼合；激光晶體之間，或激光晶體與激光玻璃之間的熱熔復(fù)合時，按需選定合適的晶體取向進(jìn)行復(fù)合。增益介質(zhì)表面貼合后，使用耐高溫夾具固定多個需復(fù)合的激光介質(zhì)，并將其置于溫場均勻的真空高溫爐中，恒溫?zé)崛蹚?fù)合。熱熔溫度根據(jù)材料熱學(xué)特性和幾何尺寸的不同而變化：溫度高于激光玻璃軟化點(diǎn)0~100?℃，低于激光晶體熔化點(diǎn)0~200?℃。恒溫?zé)崛蹠r間為5~15min。熱熔鍵合后快速降溫（大于10℃/min）至退火溫度（低于激光玻璃轉(zhuǎn)變溫度50~100?℃）并精密退火（在退火溫度保溫20h，以小于3℃/h的速度降溫至室溫）。較短的熱熔時間可避免激光玻璃的析晶概率，減少玻璃或晶體的形變幾率和形變程度。

19、進(jìn)一步地，所述熱熔分區(qū)復(fù)合中，熱熔溫度根據(jù)材料熱學(xué)特性和幾何尺寸的不同而變化，溫度高于激光玻璃軟化點(diǎn)0~100?℃，低于激光晶體熔化點(diǎn)0~200?℃；熱熔分區(qū)復(fù)合時間為5~15?min。

20、進(jìn)一步地，所述熱熔分區(qū)復(fù)合中，熱熔界面須滿足粗糙度ra小于1?μm，且熱熔過程在真空環(huán)境中完成，真空度為-100?kpa。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

22、（1）本發(fā)明提供的基于結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)具有靈活匹配增益介質(zhì)基質(zhì)材料的特性；可通過不同基質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合，同時獲得多種增益介質(zhì)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)增益譜的調(diào)控；尤其是，根據(jù)激光玻璃與晶體不同的發(fā)射特性，復(fù)合兩者的增益譜特性，同時獲得玻璃摻雜濃度高、帶寬大，晶體熱導(dǎo)率高、光學(xué)各向異性的特點(diǎn)；

23、（2）本發(fā)明提供的基于結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)具有靈活匹配激活離子的特性；為實(shí)現(xiàn)多個波段的波長可調(diào)諧激光輸出，在基質(zhì)材料中，可通過不同激活離子的結(jié)構(gòu)復(fù)合實(shí)現(xiàn)分區(qū)摻雜，同時在多個波段獲得增益，實(shí)現(xiàn)不同波段增益譜的互相補(bǔ)充；尤其是，基于不同激活離子的分區(qū)摻雜，可有效避免多種激活離子之間非必要的微觀能量傳遞，提高激光增益介質(zhì)地發(fā)射效率；

24、（3）本發(fā)明提供的基于結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)，通過靈活匹配激活離子和基質(zhì)材料，基于激光介質(zhì)的跨區(qū)域能量傳遞作用可實(shí)現(xiàn)對發(fā)射譜的裁切，有利于實(shí)獲得特殊波長的激光發(fā)射；

25、（4）本發(fā)明提供的基于結(jié)構(gòu)復(fù)合的增益譜可調(diào)激光介質(zhì)，具有串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)復(fù)合方式，通過調(diào)控不同增益介質(zhì)的相對結(jié)構(gòu)比例參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)增益譜的精確調(diào)控。