Предыстория исследований
Мощные лазеры с высоким качеством луча широко применяются в космических исследованиях, физике высоких энергий и национальной оборонной безопасности. Использование среды с большим объемом усиления позволяет увеличить объем усиления и повысить гибкость управления температурой. Однако, в то время как лазеры с инверсией населенностей достигают большей мощности лазерного излучения за счет более крупных кристаллов, увеличение размера обычных кристаллов не может полностью устранить тепловые эффекты, вызванные накоплением тепла.
Алмаз, благодаря своей превосходной теплопроводности, высокой стойкости к повреждениям и химической инертности, широко считается идеальным материалом для высокоэнергетических лазерных технологий. Кроме того, будучи нелинейным кристаллом, алмаз обладает значительным потенциалом для нелинейного оптического преобразования благодаря сверхвысоким коэффициентам усиления Рамана и Бриллюэна, что дает ему беспрецедентные преимущества в достижении высокой мощности лазерного излучения с высоким качеством луча. В настоящее время исследователям удалось достичь высокой выходной мощности в киловаттном диапазоне в стационарном состоянии и пиковой мощности на уровне мегаватт, используя кристаллы алмаза с апертурами размером всего несколько квадратных миллиметров (мм²).
Содержание исследования
Недавно группа по технологии и применению алмазных лазеров под руководством профессоров Бай Чжэньсю и Люй Живэя из Хэбэйского технологического университета подробно описала критическое влияние размера кристалла алмаза на выходную мощность мощного лазера с точки зрения передовой разработки мощных алмазных лазеров. Основываясь на фототермическом анализе и последних достижениях в технологии выращивания алмазных кристаллов, группа предположила, что крупноразмерные алмазные кристаллы откроют новые горизонты в разработке мощных лазеров. Исследование продемонстрировало распределение температуры и напряжений в алмазных кристаллах, создав модель термического анализа, основанную на общей структуре торцевой накачки (рис. 1). Сравнение распределения температуры и напряжений в алмазных кристаллах различных размеров с традиционными кристаллами с обратными частицами и традиционными рамановскими кристаллами при высоких тепловых нагрузках показало, что крупноразмерные алмазные кристаллы могут значительно снизить тепловые эффекты, дополнительно повышая характеристики мощных лазеров.
Авторы также провели углубленный анализ предельных мощностей алмазных кристаллов в условиях торцевой накачки. Сравнивая их с распространёнными лазерными кристаллами (такими как Nd:YAG и Nd:YVO₄) и рамановскими кристаллами (например, нитратом бария), исследование показало, что эти кристаллы, в силу ограничений, связанных с материалами, склонны достигать точек плавления или пределов разрушения при высоких мощностях. Однако алмаз, благодаря своей превосходной теплопроводности и термостойкости, значительно превосходит эти кристаллы – на 2–4 порядка. На рисунке 2 наглядно представлены фототермические свойства различных материалов и соответствующие им предельные мощностные нагрузки, что убедительно свидетельствует об уникальных преимуществах алмазных кристаллов в мощных лазерных приложениях.
