河北工業(yè)大學(xué)先進(jìn)激光技術(shù)研究中心結(jié)合金剛石激光器功率提升的發(fā)展歷程，以金剛石尺寸及其光熱性能分析為切入點(diǎn)，探討了金剛石作為非線性激光介質(zhì)在高功率激光技術(shù)中的核心作用。揭示了被譽(yù)為“六邊形戰(zhàn)士”的金剛石晶體在尺寸增大過程中對推動高功率激光技術(shù)發(fā)展的巨大潛力。該前瞻性論文（Perspective）明確指出了材料生長與金剛石激光系統(tǒng)設(shè)計中亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為未來利用金剛石晶體實(shí)現(xiàn)超高功率激光輸出提供了重要參考。

       研究背景

       高光束質(zhì)量的高功率激光器在空間探索、高能物理及國防安全等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。通過采用大尺寸增益介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)更大的增益體積并提升熱管理的靈活性。然而由于增益介質(zhì)儲能及材料熱物性限制，雖然粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光器利用大尺寸晶體實(shí)現(xiàn)了激光功率的提升，但是傳統(tǒng)晶體尺寸的增加并不能完全解決熱積累所導(dǎo)致的熱效應(yīng)問題。
       金剛石憑借其卓越的熱導(dǎo)率、高抗損傷能力和化學(xué)惰性，被廣泛視為高能激光技術(shù)的理想材料。同時，作為非線性晶體，金剛石憑借超高的拉曼增益和布里淵增益，在非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，使其在實(shí)現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量激光輸出方面具有無可比擬的優(yōu)勢。目前，人們利用通光孔徑僅為平方毫米（mm2）的金剛石晶體，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)功率千瓦級以及峰值功率兆瓦級的高功率輸出。

       研究內(nèi)容

       近日，河北工業(yè)大學(xué)白振旭和呂志偉教授領(lǐng)銜的金剛石激光技術(shù)及應(yīng)用團(tuán)隊，從高功率金剛石激光器發(fā)展的前沿視角，詳細(xì)闡述了金剛石晶體尺寸對高功率激光輸出性能的關(guān)鍵影響。團(tuán)隊基于光熱分析研究和金剛石晶體生長技術(shù)的最新進(jìn)展，提出大尺寸金剛石晶體將開啟高功率激光器發(fā)展的全新領(lǐng)域。研究通過建立基于常用端面泵浦結(jié)構(gòu)的熱分析模型（圖 1），展示了金剛石晶體的溫度分布與應(yīng)力分布。對比不同尺寸金剛石晶體與傳統(tǒng)反轉(zhuǎn)粒子晶體、傳統(tǒng)拉曼晶體在高熱負(fù)載下的溫度分布與應(yīng)力分布后，研究證明，大尺寸金剛石晶體能夠顯著緩解熱效應(yīng)，進(jìn)一步提升高功率激光器的性能（完整對比分析圖見原文）。

圖1 端面泵浦結(jié)構(gòu)示意圖

       此外，作者還深入分析了端面泵浦條件下金剛石晶體的功率負(fù)載極限。研究通過與常見激光晶體（如Nd:YAG、Nd:YVO?）及拉曼晶體（如硝酸鋇）進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，其他晶體由于材料特性限制，在高功率負(fù)載下易達(dá)到熔點(diǎn)或斷裂極限。而金剛石憑借其卓越的熱導(dǎo)率和抗熱性能，其功率負(fù)載極限顯著優(yōu)于其他晶體，高出2-4個數(shù)量級。圖2直觀地展示了各類材料的光熱特性參數(shù)及其對應(yīng)的功率負(fù)載極限，為金剛石晶體在高功率激光應(yīng)用中的獨(dú)特優(yōu)勢提供了有力證明。

圖2 不同晶體的光熱參數(shù)及功率負(fù)載極限對比

       結(jié)論與展望

       在該前瞻性論文中，作者系統(tǒng)回顧了金剛石晶體作為非線性激光介質(zhì)的發(fā)展歷程，突出其在光熱特性方面相較于其他常用激光晶體材料的顯著優(yōu)勢。研究通過模擬分析展示了高質(zhì)量大尺寸金剛石在提升激光整體效率和功率輸出方面的巨大潛力。預(yù)計未來，厘米級金剛石晶體有望實(shí)現(xiàn)千兆瓦（GW）級高功率輸出，為高功率激光器的性能突破提供新的可能性。特別是隨著人工合成金剛石尺寸和質(zhì)量的不斷提升，這不僅將標(biāo)志著材料科學(xué)的顯著進(jìn)步，還將進(jìn)一步推動高能激光技術(shù)的發(fā)展及其在國防安全、科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為非線性光學(xué)和高功率激光系統(tǒng)開辟全新局面。    

       相關(guān)成果以“Unlocking the power: how crystal size transforms diamond lasers”為題，發(fā)表在Functional Diamond期刊上。