超硬材料网

       河北工业大学先进激光技术研究中心结合金刚石激光器功率提升的发展历程，以金刚石尺寸及其光热性能分析为切入点，探讨了金刚石作为非线性激光介质在高功率激光技术中的核心作用。揭示了被誉为“六边形战士”的金刚石晶体在尺寸增大过程中对推动高功率激光技术发展的巨大潜力。该前瞻性论文（Perspective）明确指出了材料生长与金刚石激光系统设计中亟待解决的关键挑战，为未来利用金刚石晶体实现超高功率激光输出提供了重要参考。

       研究背景

       高光束质量的高功率激光器在空间探索、高能物理及国防安全等领域具有广泛应用。通过采用大尺寸增益介质，可以实现更大的增益体积并提升热管理的灵活性。然而由于增益介质储能及材料热物性限制，虽然粒子数反转激光器利用大尺寸晶体实现了激光功率的提升，但是传统晶体尺寸的增加并不能完全解决热积累所导致的热效应问题。
       金刚石凭借其卓越的热导率、高抗损伤能力和化学惰性，被广泛视为高能激光技术的理想材料。同时，作为非线性晶体，金刚石凭借超高的拉曼增益和布里渊增益，在非线性光学转换领域展现了巨大的应用潜力，使其在实现高功率高光束质量激光输出方面具有无可比拟的优势。目前，人们利用通光孔径仅为平方毫米（mm²）的金刚石晶体，已经实现了稳态功率千瓦级以及峰值功率兆瓦级的高功率输出。

       研究内容

       近日，河北工业大学白振旭和吕志伟教授领衔的金刚石激光技术及应用团队，从高功率金刚石激光器发展的前沿视角，详细阐述了金刚石晶体尺寸对高功率激光输出性能的关键影响。团队基于光热分析研究和金刚石晶体生长技术的最新进展，提出大尺寸金刚石晶体将开启高功率激光器发展的全新领域。研究通过建立基于常用端面泵浦结构的热分析模型（图 1），展示了金刚石晶体的温度分布与应力分布。对比不同尺寸金刚石晶体与传统反转粒子晶体、传统拉曼晶体在高热负载下的温度分布与应力分布后，研究证明，大尺寸金刚石晶体能够显著缓解热效应，进一步提升高功率激光器的性能（完整对比分析图见原文）。

图1 端面泵浦结构示意图

       此外，作者还深入分析了端面泵浦条件下金刚石晶体的功率负载极限。研究通过与常见激光晶体（如Nd:YAG、Nd:YVO₄）及拉曼晶体（如硝酸钡）进行对比发现，其他晶体由于材料特性限制，在高功率负载下易达到熔点或断裂极限。而金刚石凭借其卓越的热导率和抗热性能，其功率负载极限显著优于其他晶体，高出2-4个数量级。图2直观地展示了各类材料的光热特性参数及其对应的功率负载极限，为金刚石晶体在高功率激光应用中的独特优势提供了有力证明。

图2 不同晶体的光热参数及功率负载极限对比

       结论与展望

       在该前瞻性论文中，作者系统回顾了金刚石晶体作为非线性激光介质的发展历程，突出其在光热特性方面相较于其他常用激光晶体材料的显著优势。研究通过模拟分析展示了高质量大尺寸金刚石在提升激光整体效率和功率输出方面的巨大潜力。预计未来，厘米级金刚石晶体有望实现千兆瓦（GW）级高功率输出，为高功率激光器的性能突破提供新的可能性。特别是随着人工合成金刚石尺寸和质量的不断提升，这不仅将标志着材料科学的显著进步，还将进一步推动高能激光技术的发展及其在国防安全、科学研究和工业应用等领域的广泛应用，为非线性光学和高功率激光系统开辟全新局面。    

       相关成果以“Unlocking the power: how crystal size transforms diamond lasers”为题，发表在Functional Diamond期刊上。