CN109796201A - 复合结构激光增益介质的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合结构激光增益介质的制备方法及装置，其中制备方法包括如下步骤：设计步骤，根据待制备的复合结构激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述复合结构激光增益介质中每层料层的参数；铺料步骤，按照所述每层料层的参数铺放相应的预制料，层层铺设各料层后形成若干预设形状的功能区域，获得具有若干功能区域的素坯；以及烧制步骤，对所述素坯进行烧结，获得复合结构激光增益介质。本发明中的复合结构激光增益介质的制备方法，制备成本低且成品率高，并且能够对激光增益介质内部结构进行精确控制，为其带来广阔的设计空间，可大幅提升介质储能能力、主动补偿波前畸变。

Description

复合结构激光增益介质的制备方法及装置

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种复合结构激光增益介质的制备方法及装置。

背景技术

全固态高功率高光束质量激光在科研、医疗、通讯等领域有着广阔的应用前景，因而成为当前激光技术领域的研究热点之一。作为激光增益介质的块状固体激光在进行激光放大时，会由于废热而发生使激光产生光弹效应、热光效应、热形变等现象，使激光光束质量退化，同时限制了输出功率的提高。为使激光器持续稳定高性能运转，必须及时带走这些废热。相应的改进和创新主要是在增益介质结构的变化和冷却方式的改变上。多年来，人们试图从提高换热效率、优化装夹方式等多个角度来抑制固体激光器的热效应，但通过这些被动方式带来的性能提升已经接近技术极限。科研工作者们将研究目光聚向复合结构激光增益介质对热性能改善研究上，通过介质内部结构的设计，控制和优化增益介质内部的产热分布，相比传统体掺杂增益介质产热均匀度和冷却效率大大提高，可大幅提高介质的激光输出能力。

然而传统的固体激光增益介质多选用晶体材料，大尺寸晶体毛坯的生长通常采用外延法，这种方法只能获得包含同种组份的毛坯，其复合结构的加工需要借助材料键合工艺，在复杂的复合结构的制备上具有极大的技术困难、极高的加工成本以及极低的成品率。另外，在现有技术中的激光陶瓷，其传统陶瓷制备工艺很难实现激光介质内部结构的精确可控，因而难以得到理想的产热分布。

发明内容

本发明实施例提供一种复合结构激光增益介质的制备方法及装置，用以解决现有技术制备复合结构的激光增益介质时存在的制备困难、成品率低的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种复合结构激光增益介质的制备方法，所述方法包括如下步骤：

根据待制备的激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述激光增益介质中每层料层的参数；

按照所述每层料层的参数铺放相应的预制料，层层铺设各料层后形成若干预设形状的功能区域，获得具有若干功能区域的素坯；

对所述素坯进行烧结，获得复合结构的激光增益介质。

可选的，所述料层的参数包括以下一种或几种：料层中预制料的种类、各种预制料铺设的位置、各种预制料铺设的面积和各种预制料铺设的形状。

可选的，所述方法还包括对铺设的各料层的表面进行整平处理。

可选的，所述预制料包括粉料或浆料。

可选的，当所述预制料为粉料时，所述方法还包括对铺放的预制料进行压制处理。

可选的，当所述预制料为浆料时，所述方法还包括对铺放的所述预制料进行固化处理。

可选的，所述若干功能区域中的至少两个功能区域中的预制料的组分不同。

可选的，所述若干功能区域中的至少两个功能区域的预制料中，针对同一种组分的掺杂率不相同。第二方面，本发明实施例提供一种复合结构激光增益介质的制备装置，包括：

设计单元，用于根据待制备的激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述激光增益介质中每层料层的参数；

铺料单元，用于按照所述每层料层的参数铺放相应的预制料，层层铺设各料层后形成若干预设形状的功能区域，获得具有若干功能区域的素坯；

烧制单元，用于对所述素坯进行烧结，获得复合结构的激光增益介质。

可选的，所述装置还包括平整单元，用于对铺料单元铺设的各料层的表面进行整平处理。

可选的，所述装置还包括压制单元，用于对铺料单元铺设的预制料进行压制。

可选的，所述装置还包括固化单元，用于对铺料单元铺设的预制料进行固化。

可选的，所述铺料单元包括：用于盛装素坯的粉槽，所述粉槽的上方设置有用于存储各种预制料的储料盒，所述储料盒通过输料管与喷嘴连通，通过喷嘴向所述粉槽中层层铺设预制料。

可选的，所述铺料单元还包括粉槽驱动器，所述粉槽驱动器设置在粉槽的底部用于带动所述粉槽沿前、后、左、右、上、下方向移动。

可选的，所述装置还包括中控台，所述中控台与所述粉槽驱动器电连接，用于控制所述粉槽驱动器；

所述中控台还与所述喷嘴电连接，用于控制所述喷嘴移动。

可选的，所述平整单元包括刮刀，所述刮刀与中控台中的控制器受控连接。

可选的，所述压制单元包括施压板，所述施压板与驱动器的伸缩端固定连接，所述驱动器与中控台的控制器受控连接。

可选的，所述固化单元包括光固化装置或者温度固化装置。

可选的，所述施压板与粉槽对应的表面嵌设有固化光发射机构，所述固化光发射机构用于发射固化光以对粉槽中的素坯进行固化。

本发明实施例利用复合结构激光增益介质的制备方法和装置制备激光增益介质，可对其内部结构精确可控，为其带来了广阔的设计空间。通过对掺杂区结构(功能区域结构)内组分及掺杂率的调控，可以控制发热区域及产热分布，提高换热效率和生热均匀性，大幅提升储能能力；通过对预制料组份的精度调控，可以改变介质的折射率分布，实现激光透射波前的主动补偿。另外，并且本发明方法制备激光增益介质的成本低，成品率高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明第一实施例复合结构激光增益介质的制备方法的流程图；

图2为本发明第二实施例复合结构激光增益介质的制备方法的流程图；

图3为本发明第三实施例复合结构激光增益介质的制备装置中铺料单元的结构示意图；

图4(a)、(b)、(c)分别为本发明第四实施例中制备的激光增益介质的剖视图、立体图、整体结构示意图；

图5(a)、(b)分别为本发明第五实施例中制备的激光增益介质的剖视图和结构示意图；

图6(a)、(b)、(c)分别为本发明第六实施例中制备的激光增益介质的剖视图、俯视图和整体结构示意图；

图7(a)、(b)分别为本发明第七实施例中制备的激光增益介质的剖视图和整体结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明第一实施例提供一种复合结构激光增益介质的制备方法，如图1所示，包括以下具体步骤：

步骤S101，根据待制备的激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述激光增益介质中每层料层的参数；

步骤S102，按照所述每层料层的参数铺放相应的预制料，层层铺设各料层后形成若干预设形状的功能区域，获得具有若干功能区域的素坯；

步骤S103，对所述素坯进行烧结，获得复合结构的激光增益介质。

本实施例中所述料层的参数包括以下一种或几种：料层中预制料的种类、各种预制料铺设的位置、各种预制料铺设的面积和各种预制料铺设的形状。

本实施例中复合结构激光增益介质是指具有包含两种或以上不同材料(预制材料)/形状的激光增益介质，包括但不限于：具有不同掺杂率的多个区域的激光增益介质、具有渐变掺杂率的激光增益介质、具有不同形状的多个区域的激光增益介质和具有不同功能区域的多区域激光增益介质(诸如掺Cr⁴⁺的YAG钇铝石榴石材料的功能区，用以吸收自发辐射，或者掺有氧化钆Gd₂O₃材料的功能区，用于调节折射率，等等)等。其中，本实施例中的“功能区域”是能够实现特定功能的区域，例如实现折射率补偿，或者寄生振荡抑制等功能的区域。功能区域是通过层层铺设预制料而形成的区域。功能区域的形状也可以是规则形状，例如由多个层形成的长方体状、圆柱体状等。

本实施例中，预制料是用于形成增益介质的材料。预制料例如可以是包括三氧化二钇Y₂O₃和三氧化二铝Al₂O₃的混合物，三氧化二钇Y₂O₃和三氧化二铝Al₂O₃等比例配比形成的钇铝石榴石YAG陶瓷。作为示例，在混合物中还可以掺入不同比例的三氧化二镱Yb₂O₃或三氧化二钕Nd₂O₃，通过调节其配比，可以制备不同掺杂浓度的Yb:YAG和Nd:YAG增益介质。另外，还可以在该混合物中掺入不同比例的Gd₂O₃等材料，用以对增益介质的折射率进行微调，从而可以对Yb³⁺及Nd³⁺掺杂带来的折射率变化进行补偿。

本实施例中，该方法还包括制备预制料。具体的，预制料可以是粉料，例如球形度高、流动性好、松装密度高的球化粉体。该球化粉体的制作方法是基于次微米级陶瓷原粉通过喷雾造粒技术获得的。具体通过调节不同陶瓷原粉的配比，再使用喷雾造粒装置制备要形成增益介质的多种材料的球形粉体；预制料也可以是浆料，将陶瓷原粉分别与分散剂、凝胶剂和结合剂等添加剂混合形成各种材料的浆状预制料。采用小分子量电解质和聚电解质协同分散陶瓷颗粒，使陶瓷颗粒间具有足够的排斥分散作用，可以提高浆料的固含量。

在本实施例步骤S101中，根据待制备的复合结构激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述复合结构激光增益介质中每层料层的参数，具体包括：根据复合结构激光增益介质所要实现的功能，来设计增益介质的多个功能区域，并根据增益介质外形尺寸、预制料种类及掺杂浓度、增材成型的材料控制精度及增益介质所需达到的功能等因素，设计并确定复合激光增益介质的各个功能区域所对应的每层结构中的料层参数。具体的料层参数包括料层中预制料的种类、各种预制料铺设的位置、各种预制料铺设的面积和各种预制料铺设的形状。

本实施例中，通过在设计步骤中精确设计各个功能区域以及各个功能区域所包括的层结构中的各层参数，并在铺料步骤中精确控制预制料铺放(铺设位置、铺设材料以及铺设量)，能够实现对激光增益介质的空间结构的精确可控，为其带来广阔的设计空间。例如，通过对掺杂区结构(功能区域结构)内组分及掺杂率的调控，可以控制发热区域及产热分布，提高换热效率和生热均匀性，大幅提升储能能力；通过对预制料组份的精度调控，可以改变介质的折射率分布，实现激光透射波前的主动补偿。另外，本发明方法制备激光增益介质的成本低，成品率高。

本发明第二实施例提供一种复合结构激光增益介质的制备方法，如图2所示，包括以下具体步骤：

步骤S210，设计述激光增益介质的结构，根据待制备的复合结构激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述复合结构激光增益介质中每层料层的参数；

步骤S220，制备预制料。预制料可以是粉料，例如球形度高、流动性好、松装密度高的球化粉体。该球化粉体的制作方法是基于次微米级陶瓷原粉通过喷雾造粒技术获得的。具体通过调节不同陶瓷原粉的配比，再使用喷雾造粒装置制备要形成增益介质的多种材料的球形粉体；预制料也可以是浆料，将陶瓷原粉分别与分散剂、凝胶剂和结合剂等添加剂混合形成各种材料的浆状预制料。采用小分子量电解质和聚电解质协同分散陶瓷颗粒，使陶瓷颗粒间具有足够的排斥分散作用，可以提高浆料的固含量；

步骤S230，铺设预制料，按照所述每层料层的参数铺放相应的预制料，层层铺设各料层后形成若干预设形状的功能区域，获得具有若干功能区域的素坯；

步骤S240，对预制料表面进行平整处理，以使料层表面平整；

步骤S250，对平整处理后的粉状预制料进行压制；

步骤S260，对平整后的浆体状的预制料进行固化处理。本步骤和S250中可以根据实际需要选择一个进行操作即可，具体的，当预制料为粉料时，可以采用步骤S250，通过施压器对铺放的预制料进行压制；当所述预制料为浆料时，可以采用本步骤，利用温度控制、光敏固化等方式对铺放的预制料进行固化处理。

步骤S270，判断是否铺设完成，若完成铺设，则执行步骤S280，否则执行步骤S210-S260。具体的，在铺设预制料时，完成一层预制料的铺设后就判断是否完成了激光增益介质的各个功能区域的所有预制料的铺放。直至完成全部预制料的铺放获得素坯；

步骤S280，对素坯进行排胶，具体方法为对铺放好并经过压制或固化后的成型素坯进行排胶。通过将待烧结的多层预制料结构放入马弗炉，在预定温度的空气气氛下保温数个小时即可。

步骤S290，对所述素坯进行烧结，获得复合结构的激光增益介质。其中，素坯的烧结可以采用二步烧结。第一步烧结中，进行无压真空预烧：在相对低的烧结温度下，排除素坯内气体，可获得具有闭口气孔结构的预烧体；第二步烧结中，进行高温热等静压烧结，通过调控烧结温度、保温时间、升降温速率、升降压速率等要素，排除素坯内残余的晶界气孔，最终得到高光学质量激光陶瓷。通过以上烧结方式，减小了样品在高温下的热历史时间，可以抑制高温烧结中晶粒异常长大，减小预烧体内外的致密化不均匀问题，有助于调控晶界迁移速率从而规避晶内气孔的形成。

本发明实施例，利用复合结构激光增益介质的制备装置制备获得的激光增益介质，制备成本低且成品率高，并且可以对激光增益介质内部结构进行精确控制，为其带来广阔的设计空间：通过对掺杂区结构(功能区域结构)内组分及掺杂率的调控，可以控制发热区域及产热分布，提高换热效率和生热均匀性，大幅提升储能能力；通过对预制料组份的精度调控，可以改变介质的折射率分布，实现激光透射波前的主动补偿。

本发明第三实施例提供一种复合结构激光增益介质的制备装置，包括：

设计单元，用于根据待制备的复合结构激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述复合结构激光增益介质中每层料层的参数；

铺料单元，用于按照所述每层料层的参数铺放相应的预制料，层层铺设各料层后形成若干预设形状的功能区域，获得具有若干功能区域的素坯；

平整单元，用于对铺料单元铺设的各料层的表面进行整平处理；

压制单元，用于对铺料单元铺设的预制料进行压制；

固化单元，用于对铺料单元铺设的预制料进行固化；

烧制单元，用于对所述素坯进行烧结，获得复合结构激光增益介质。

其中铺料单元的结构如图3所示，包括：用于盛装素坯的粉槽305，所述粉槽的上方设置有用于存储各种预制料的储料盒301，所述储料盒301通过输料管与喷嘴302连通，通过喷嘴302向所述粉槽中层层铺设预制料，形成多层结构；

本实施例中粉槽的底部还设置有粉槽驱动器，利用所述粉槽驱动器带动所述粉槽沿前、后、左、右、上、下方向移动。粉槽驱动器与中控台309受控连接；

具体的，储料盒301中可以包括若干个子储料盒，例如包括四个子储料盒，每个子储料盒中放置一种预制料。各子储料盒中的预制料经由喷嘴302来被依次分层铺放到粉槽305中，以形成复合结构激光增益介质的各个功能区域(如图4(a)和4(b)中的功能区域401-407)。其中，储料盒的数量可以为多个，例如一个或者四个等。喷嘴302用于将提供的预制料按照预先设计的激光增益介质的功能区域来分层铺放到粉槽305中。喷嘴302与中控台309电连接，利用中控台控制所述喷嘴移动。

平整单元包括刮刀307，如图4(a)所示，所述刮刀307与中控台309中的控制器受控连接，用于对由喷嘴302铺放的各层预制料308进行表面平整。

压制单元包括施压器303，施压器303的施压板与驱动器的伸缩端固定连接，所述驱动器与中控台的控制器受控连接。

固化单元包括固化器304，具体的固化器304可以为光固化装置或者温度固化装置。较佳的本实施例中的施压器303可以与固化器304一体地形成，例如施压器为施压板，施压板包括能够发射出用于进行光固化的固化光发射机构，固化光发射机构用于发射固化光以对粉槽中的素坯进行固化。

另外，本实施例中用户能够经由中控台，根据增益介质外形尺寸、预制料种类及掺杂浓度、增材成型的材料控制精度及激光增益介质所需达到的功能等因素，设计增益介质的多个功能区域，并确定复合激光增益介质的各区域中的各层的参数。中控台对粉槽驱动器的控制、对喷嘴的控制和/或对复合结构激光增益介质的各功能区域以及各功能区域中的各层的设计，可以通过例如个人电脑的中控台中安装的软件来实现。

发明第四实施例作为第三实施例中复合结构激光增益介质的制备装置的应用例，以七段掺杂复合结构Yb:YAG(在三价镱离子Yb³⁺掺入钇铝石榴石YAG基质中形成的一种产生1.03um近红外激光的激光晶体)固体激光增益介质的制备为例来具体说明本发明利用复合结构激光增益介质的制备装置来制备激光增益介质的典型过程，如下：

本实施例中，首先，根据需要设计激光增益介质结构，并确定各料层的参数，具体包括如图4(b)所示的七个功能区401-407。区域401和407对应于YAG预制料，区域402和406对应于掺Yb³⁺浓度为0.1％的预制料，区域403和405对应于掺Yb³⁺浓度为0.5％的预制料，区域404对应于掺Yb³⁺浓度为1％的预制料。

然后，进行预制料的制备。具体来说，通过调节Al₂O₃、Y₂O₃及Yb₂O₃三种原粉的配比，使用喷雾造粒装置制备纯YAG球形粉体及掺Yb³⁺浓度分别为0.1％、0.5％和1％的四种高流动性Yb:YAG球形粉体预制料，并将以上四种预制料分别放置在四个子储料盒中。具体的，储料盒301包括四个子储料盒，用来分别容纳不同组分的预制料，并使用一个喷嘴302来进行预制料的铺放。

按照确定好的各层预制料的种类和厚度来铺放各层预制料。具体的，通过喷嘴302在粉槽305中层层铺放YAG预制料。如图4(a)所示，喷嘴302首先在粉槽底部层层铺放球形粉体的YAG粉料。接下来，依次向粉槽中铺放以下预制料以形成各个功能区：掺杂浓度0.1％的Yb:YAG预制料、掺杂浓度0.5％的Yb:YAG预制料、掺杂浓度1％的Yb:YAG预制料、掺杂浓度0.5％的Yb:YAG预制料、掺杂浓度0.1％的Yb:YAG预制料及YAG预制料。

每铺放一层预制料之后利用刮刀307将该层的上表面刮平。刮平之后通过施压器动力源(未示出)来使施压器303升降，对粉槽305内铺放的预制料层进行压制。通过压制单元对每层被铺放的粉料层的压制，能够减小预制料各层之间的空隙率，提高板条的素坯密度。如果预制料是浆料，还可以通过固化器304分别对铺放每层预制料进行固化。

在喷嘴多次对预制料进行铺放后形成了增益介质的原型，即板条介质的素坯，素坯的结构例如图4(b)所示。

然后，对素坯进行排胶和烧结。首先将素坯放入马弗炉进行排胶，在特定温度的空气气氛下保温数个小时即可。然后进行致密化烧结，采用二步法，首先进行无压真空预烧，在相对低的烧结温度下，排除素坯内气体，可获得具有闭口气孔结构的预烧体，然后将其放入烧结单元中进行增益介质的致密化烧结。通过调控烧结温度、保温时间、升降温速率、升降压速率等要素，排除残余的晶界气孔，再经过光学加工后最终得到如图4(b)所示的七段掺杂的板条增益介质或者如图4(c)所示的棒状增益介质。

本发明第五实施作为第三实施例中复合结构激光增益介质的制备装置的应用例，通过在同一料层中铺放多种预制料来形成多个功能区域(每个区域中通过控制掺杂物质或掺杂浓度的不同)，来实现可抑制寄生振荡的渐变掺杂表层增益板条激光增益介质的制备，具体过程如下：

首先，进行复合结构激光增益介质的设计。本实施例中的激光增益介质包括如图5(b)所示的七个功能区501-507。区域501和507对应于YAG预制料，区域502和506对应于掺Yb³⁺浓度为0.1％的预制料，区域503和505对应于掺杂浓度0.3％的Yb:YAG预制料，区域504对应于Cr⁴⁺:YAG预制料。

本实施例中，储料盒301包括四个子储料盒来分别容纳不同成分的预制料，并使用四个喷嘴302来进行预制料的铺放。

然后，进行预制料的制备。本实施例中的预制料的制备与第一实施例中相似，在此不再赘述。通过制备过程，获得纯YAG球形粉体预制料、掺Yb³⁺浓度为0.1％、掺Yb³⁺浓度别为0.3％两种高流动性Yb:YAG球形粉体预制料、以及Cr⁴⁺:YAG球形粉体预制料，将四种预制料分别装入到对应的储料盒中。

然后，进行预制料的铺放。如图5(a)所示，按照从左到右的顺序，依次使用第一喷头在粉槽中精确铺设YAG预制料、使用第二喷头在粉槽中精确铺设0.1％的Yb:YAG预制料、使用第三喷头在粉槽中精确铺设掺杂浓度0.3％的Yb:YAG预制料、使用第四喷头在粉槽中精确铺设Cr⁴⁺:YAG预制料、使用第三喷头在粉槽中精确铺设掺杂浓度0.3％的Yb:YAG预制料、使用第二喷头在粉槽中精确铺设0.1％的Yb:YAG预制料以及使用第一喷头在粉槽中精确铺设YAG预制料。从左到右铺放上述七种材料在粉槽中处于同一层，这样就完成一层料层的铺放。

铺设一定厚度(例如一层)的预制料之后使用刮刀307将铺放的预制料表面刮平。然后通过机械施压、超声等方式对粉槽内新铺设的预制料进行压制，以减小成型的空隙率，提高素坯密度。

然后重复以上步骤来依次铺放多层预制料。即通过重复铺放预制料、利用刮刀平整铺放的预制料、对铺放的预制料进行压制这些步骤，来形成与激光增益介质的功能区域所对应的预制料的各个区域。其中，在铺放包括区域501至507的各层的厚度到达预定厚度之后，进行仅包括YAG预制料的中间层的铺设，然后再次铺放包括区域501至507的各层。

经过上述步骤获得了陶瓷素坯，然后对素坯进行排胶、烧结，再经过光学加工，最终形成如图5(b)所示的表层增益板条激光增益介质，其中Cr⁴⁺:YAG区域对于寄生振荡有很好的抑制效果，同时不会显著影响激光性能。本实施例中的排胶和烧结步骤与第四实施例中相同，在此不在赘述。

本发明第六实施例作为第三实施例中复合结构激光增益介质的制备装置的应用例，利用复合结构激光增益介质的制备装置制备空心结构的多段掺杂的Yb:YAG桶状增益介质。

首先，进行复合结构激光增益介质的设计。本实施例中的桶状激光增益介质包括如图6(a)和图6(b)所示的七个功能区601-607。区域601和607对应于YAG预制料，区域602和606对应于掺Yb³⁺浓度为0.1％的预制料，区域603和605对应于掺杂浓度0.3％的Yb:YAG预制料，区域604对应于掺杂浓度0.3％的Yb:YAG预制料。

本实施例中的激光增益介质为桶状，在制备该类空心结构激光增益介质时对所使用的粉槽进行了特殊设计，在桶形粉槽的中心设置了实心的圆柱。通过在粉槽外壁与圆柱外表面之间的空间内铺设上述各层预制料，来形成区域601至607。

本实施例中的预制料制备、铺放预制料、平整预制料表面、对铺设预制料施压、素坯排胶、素坯烧结等步骤与第四实施例中相同，在此不再赘述。通过以上步骤，最终得到如图6(c)所示的7段掺杂Yb:YAG桶状增益介质，其横截面如图6(b)所示。

根据本实施例中利用复合结构激光增益介质制备装置制备的激光增益介质，不仅能够有效控制增益介质的泵浦吸收分布，使热负载更加均匀，而且能够显著减小增益介质的热传导路径，大大提高换热效率，为增益介质储能能力带来数倍的提升，同时制备成品率高，制备成本较低。

本发明第七实施例作为第三实施例中复合结构激光增益介质的制备装置的应用例，本实施例中利用复合结构激光增益介质制备装置，制备具有不同形状的功能区域的激光增益介质的过程如下：

首先，进行复合结构激光增益介质的设计。本实施例中的激光增益介质包括如图7(b)所示的功能区域701至703。其中，区域702对应于YAG预制料，区域701和703对应于掺Yb³⁺浓度为0.3％的Yb:YAG预制料。区域702的形状与区域701和703的形状不同。具体来说，区域701和703(掺杂区)厚度渐变，在两端的厚度最小，中心的厚度最大，具体如图7(a)所示。

本实施例中的预制料制备、铺放预制料、平整预制料表面、对铺设预制料施压、素坯排胶、素坯烧结等步骤，与第二实施例中相似，在此不再赘述。通过以上步骤，最终得到如图7(b)所示的掺杂区厚度渐变表层增益板条。

在本实施例中，通过使用了精密机械运动控制系统对喷嘴和粉槽的位置精确控制来铺放各层预制料，对每层料层内掺杂区域的位置和面积进行精确调控，以形成不同形状的功能区。这样能够通过掺杂区(功能区)厚度的渐变有效控制增益介质的泵浦吸收分布，使热负载更加均匀，使增益介质储能能力大大提高。

根据本实施例的以上实施例的增材成型装置和方法制备出的激光增益介质素坯，能够突破复杂复合结构激光增益介质的制备难题，大幅提高器件性能和成品率，降低制备成本和制作周期。

以上虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的任何等效变型或修改，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种复合结构激光增益介质的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

设计步骤，根据待制备的激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述激光增益介质中每层料层的参数；

铺料步骤，按照所述每层料层的参数铺放相应的预制料，层层铺设各料层后形成若干预设形状的功能区域，获得具有若干功能区域的素坯；

烧制步骤，对所述素坯进行烧结，获得复合结构的激光增益介质。

2.如权利要求1所述的复合结构激光增益介质的制备方法，其特征在于，所述料层的参数包括以下一种或几种：料层中预制料的种类、各种预制料铺设的位置、各种预制料铺设的面积和各种预制料铺设的形状。

3.如权利要求1所述的复合结构激光增益介质的制备方法，其特征在于，所述方法还包括对铺设的各料层的表面进行整平处理。

4.如权利要求1所述的复合结构激光增益介质的制备方法，其特征在于，所述预制料包括粉料或浆料。

5.如权利要求4所述的复合结构激光增益介质的制备方法，其特征在于，当所述预制料为粉料时，所述方法还包括对铺放的预制料进行压制处理。

6.如权利要求4所述的复合结构激光增益介质的制备方法，其特征在于，当所述预制料为浆料时，所述方法还包括对铺放的所述预制料进行固化处理。

7.如权利要求1所述的复合结构激光增益介质的制备方法，其特征在于，所述若干功能区域中的至少两个功能区域中的预制料的组分不同。

8.如权利要求1所述的复合结构激光增益介质的制备方法，其特征在于，所述若干功能区域中的至少两个功能区域的预制料中，针对同一种组分的掺杂率不相同。

9.一种复合结构激光增益介质的制备装置，其特征在于，包括：

设计单元，用于根据待制备的激光增益介质的功能，设计所述激光增益介质所具有的若干功能区域，并确定所述激光增益介质中每层料层的参数；

铺料单元，用于按照所述每层料层的参数铺放相应的预制料，层层铺设各料层后形成若干预设形状的功能区域，获得具有若干功能区域的素坯；

烧制单元，用于对所述素坯进行烧结，获得复合结构的激光增益介质。

10.如权利要求9所述的复合结构激光增益介质的制备装置，其特征在于，所述装置还包括平整单元，用于对铺设单元铺设的各料层的表面进行整平处理。