中國粉體網(wǎng)訊 透明陶瓷具有良好的機械性能和光學性能，獨特的制備優(yōu)勢促使其成為繼玻璃和單晶之后又一種優(yōu)秀的激光介質，為激光系統(tǒng)的設計提供了更大的自由度和發(fā)展空間。
一、透明陶瓷作為激光增益介質的優(yōu)勢
1.制備周期短，生產(chǎn)成本低
陶瓷材料燒結工藝簡單，制備周期為數(shù)天，適合大批量生產(chǎn)。燒結裝置無需貴金屬材料，無需在高純保護性氣氛下進行。而單晶生長技術性復雜，生長周期為數(shù)十天，通常需要昂貴的鉑金或銥坩鍋，生產(chǎn)成本較高。因此，與單晶相比較而言，透明陶瓷具有非常明顯的制備成本優(yōu)勢。
2.大尺寸制備，高功率輸出
陶瓷的制備工藝使其更容易制備成大尺寸的激光增益介質，因此在超短、超強激光的產(chǎn)生方面具有很大的優(yōu)勢。單晶介質雖然也經(jīng)常被用于高重頻、大脈沖能量的激光系統(tǒng)中，但其有限的增益介質體積是制約功率提升的重要因素。得益于陶瓷制備工藝優(yōu)勢，透明陶瓷能夠獲得單晶生長無法達到的大尺寸。
玻璃雖然容易被制成大尺寸，但熱導效率遠低于絕大多數(shù)激光晶體，在高功率工作時，材料內部會產(chǎn)生熱致雙折射效應和光學畸變，除此之外，玻璃還具有硬度較低、激光振蕩閾值較高等缺點。而透明陶瓷單色性好、熱導率高，可以承受更高的輻射功率。因此，在超高功率、超短、超強激光輸出方面，透明陶瓷材料大有所為。
3.開發(fā)新型激光材料
倍半氧化物具有聲子能量低、熱膨脹系數(shù)低、熱導率高、損傷閾值低等優(yōu)勢，在固體高功率激光領域有著極大的應用前景。倍半氧化物材料熔點非常高（2400℃），很難通過單晶的生長工藝進行制備，但是其相變點低于熔點，因而可以通過陶瓷制備工藝在較低的溫度下（1500℃-1700℃）實現(xiàn)倍半氧化物透明陶瓷材料的制備。高熱導率和容易制備成大體積增益介質的特點使得倍半氧化物在制備高功率、高效率和超短脈沖激光方面具有很強的應用前景。
4.制備復合結構
傳統(tǒng)單晶材料的復合是把不同功能的單晶材料通過拋光和熱擴散結合在一起，需要克服結合面強度較弱、易產(chǎn)生空氣間隙等困難。而利用燒結工藝制備的陶瓷材料容易被制備成各種復合結構，如多層結構、芯包結構、梯度摻雜結構等，其結合面強度較強，制備時間也較短。在技術優(yōu)勢上，單晶摻雜激活離子的分布是單一的，而陶瓷復合結構中激活離子接近理想的高斯分布，這種激活離子的分布有利于生成高斯模式的激光，通過控制激活離子在激光陶瓷中的摻雜分布，可以獲得想要得到的激光模式。
二、激光陶瓷的發(fā)展歷程
激光陶瓷是一種以激光增益介質為特性的陶瓷材料，這些陶瓷可以吸收能量并在特定的光波長下發(fā)出激光。
20世紀60年代，半透明的Al2O3陶瓷在高壓鈉燈放電管的應用，開啟了陶瓷材料在光學領域應用的新篇章。然而，初期制作的陶瓷中存在殘余氣孔、第二相、雙折射等大量的散射點，散射損耗導致其光學質量較差，難以作為激光增益介質。直到1995年，日本才首次制備出高透明度的Nd:YAG陶瓷，以此作為激光增益介質實現(xiàn)了激光振蕩，斜率效率達到28%，這是激光陶瓷發(fā)展史上的一個關鍵轉折點。此后，科研人員對激光陶瓷器進行了大量的研發(fā)工作。而由于陶瓷材料的軍事敏感性，在激光陶瓷研究中占據(jù)國際領先地位的日本，長期以來對我國實施技術封鎖及樣品禁運。相比之下，我國對于激光陶瓷的研究起步較晚，總體上與日本存在較大差距，于2006年中科院上海硅酸鹽研究所首次通過自研高透明度Nd:YAG陶瓷，實現(xiàn)激光輸出。目前，隨著激光技術和陶瓷材料的不斷發(fā)展，激光陶瓷的應用范圍拓展，陶瓷激光器的輸出功率、光-光轉換效率的記錄不斷被刷新。
三、激光陶瓷的應用
1.激光器制造
激光陶瓷作為增益介質，通過吸收能量并在特定的光波下發(fā)出激光，實現(xiàn)了高能量、高功率和高亮度的激光輸出，在固體激光器和光纖激光器中得到了廣泛的應用。
圖1 光纖激光器（圖源：華拓軒光電）
2.光學器件制造
激光陶瓷可以用于制造透鏡、棱鏡、反射鏡等各種光學器件，這些光學器件可以廣泛地應用于醫(yī)療、科研、通訊等領域。
圖2 激光棱鏡（圖源：歐普特科技）
3.生物科學研究
激光陶瓷在生物科學研究、醫(yī)學治療中也有廣泛應用，如熒光光譜分析、生物細胞成像和光熱治療等。
圖3 熒光光譜儀（圖源：瑞第電子）
4.精密加工
激光是微加工領域的有效工具，將一定功率的激光聚焦于被加工物體上，使激光與物體相互作用，達到加工的目的，如激光切割、激光打標、激光焊接等。
圖4 激光切割樣品（圖源：大族激光）
四、激光陶瓷的技術難點
陶瓷內部的晶界、氣孔、晶格的不完整性都會導致材料的不透明并增加光學損耗，從而影響激光的產(chǎn)生。光學損耗包括光學散射和光學吸收。光學吸收是指光學性能向其他性質能量的轉變，而光學散射只改變光的傳播方向，不涉及能量的轉換。要提高激光陶瓷材料的光學質量，必須在陶瓷材料制備技術上下功夫。
一方面，提高原料純度、優(yōu)化成型、燒結工藝，這是降低光學損耗的關鍵；另一方面，激光陶瓷材料的單晶化制備是激光陶瓷材料制備技術的一個重要發(fā)展方向。目前大多數(shù)陶瓷材料都屬于多晶結構，多晶結構中的晶界是造成光學散射的重要原因之一，因此，激光陶瓷材料的單晶化對于提高光學質量具有重要意義。
“一代材料，一代器件”，陶瓷材料和激光技術的相輔相成，必將推動陶瓷激光技術的持續(xù)發(fā)展。
參考來源：
[1]李晴等，倍半氧化物激光陶瓷的研究進展
[2]楊昊霖等，陶瓷激光器研究進展
[3]王飛等，基于透明陶瓷材料的激光研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）
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