河北工業大學先進激光技術研究中心結合金剛石激光器功率提升的發展歷程，以金剛石尺寸及其光熱性能分析為切入點，探討了金剛石作為非線性激光介質在高功率激光技術中的核心作用。揭示了被譽為“六邊形戰士”的金剛石晶體在尺寸增大過程中對推動高功率激光技術發展的巨大潛力。該前瞻性論文（Perspective）明確指出了材料生長與金剛石激光系統設計中亟待解決的關鍵挑戰，為未來利用金剛石晶體實現超高功率激光輸出提供了重要參考。

       研究背景

       高光束質量的高功率激光器在空間探索、高能物理及國防安全等領域具有廣泛應用。通過采用大尺寸增益介質，可以實現更大的增益體積并提升熱管理的靈活性。然而由于增益介質儲能及材料熱物性限制，雖然粒子數反轉激光器利用大尺寸晶體實現了激光功率的提升，但是傳統晶體尺寸的增加并不能完全解決熱積累所導致的熱效應問題。
       金剛石憑借其卓越的熱導率、高抗損傷能力和化學惰性，被廣泛視為高能激光技術的理想材料。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，在非線性光學轉換領域展現了巨大的應用潛力，使其在實現高功率高光束質量激光輸出方面具有無可比擬的優勢。目前，人們利用通光孔徑僅為平方毫米（mm2）的金剛石晶體，已經實現了穩態功率千瓦級以及峰值功率兆瓦級的高功率輸出。

       研究內容

       近日，河北工業大學白振旭和呂志偉教授領銜的金剛石激光技術及應用團隊，從高功率金剛石激光器發展的前沿視角，詳細闡述了金剛石晶體尺寸對高功率激光輸出性能的關鍵影響。團隊基于光熱分析研究和金剛石晶體生長技術的最新進展，提出大尺寸金剛石晶體將開啟高功率激光器發展的全新領域。研究通過建立基于常用端面泵浦結構的熱分析模型（圖 1），展示了金剛石晶體的溫度分布與應力分布。對比不同尺寸金剛石晶體與傳統反轉粒子晶體、傳統拉曼晶體在高熱負載下的溫度分布與應力分布后，研究證明，大尺寸金剛石晶體能夠顯著緩解熱效應，進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 端面泵浦結構示意圖

       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）進行對比發現，其他晶體由于材料特性限制，在高功率負載下易達到熔點或斷裂極限。而金剛石憑借其卓越的熱導率和抗熱性能，其功率負載極限顯著優于其他晶體，高出2-4個數量級。圖2直觀地展示了各類材料的光熱特性參數及其對應的功率負載極限，為金剛石晶體在高功率激光應用中的獨特優勢提供了有力證明。

圖2 不同晶體的光熱參數及功率負載極限對比

       結論與展望

       在該前瞻性論文中，作者系統回顧了金剛石晶體作為非線性激光介質的發展歷程，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勢。研究通過模擬分析展示了高質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。預計未來，厘米級金剛石晶體有望實現千兆瓦（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量的不斷提升，這不僅將標志著材料科學的顯著進步，還將進一步推動高能激光技術的發展及其在國防安全、科學研究和工業應用等領域的廣泛應用，為非線性光學和高功率激光系統開辟全新局面。    

       相關成果以“Unlocking the power: how crystal size transforms diamond lasers”為題，發表在Functional Diamond期刊上。