中國(guó)粉體網(wǎng)訊 透明陶瓷具有良好的機(jī)械性能和光學(xué)性能，獨(dú)特的制備優(yōu)勢(shì)促使其成為繼玻璃和單晶之后又一種優(yōu)秀的激光介質(zhì)，為激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(zhì)的優(yōu)勢(shì)
1.制備周期短，生產(chǎn)成本低
陶瓷材料燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單，制備周期為數(shù)天，適合大批量生產(chǎn)。燒結(jié)裝置無(wú)需貴金屬材料，無(wú)需在高純保護(hù)性氣氛下進(jìn)行。而單晶生長(zhǎng)技術(shù)性復(fù)雜，生長(zhǎng)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(shì)。
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(zhì)，因此在超短、超強(qiáng)激光的產(chǎn)生方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。單晶介質(zhì)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(zhì)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(shì)，透明陶瓷能夠獲得單晶生長(zhǎng)無(wú)法達(dá)到的大尺寸。
玻璃雖然容易被制成大尺寸，但熱導(dǎo)效率遠(yuǎn)低于絕大多數(shù)激光晶體，在高功率工作時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱致雙折射效應(yīng)和光學(xué)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(diǎn)。而透明陶瓷單色性好、熱導(dǎo)率高，可以承受更高的輻射功率。因此，在超高功率、超短、超強(qiáng)激光輸出方面，透明陶瓷材料大有所為。
3.開(kāi)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(dǎo)率高、損傷閾值低等優(yōu)勢(shì)，在固體高功率激光領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。倍半氧化物材料熔點(diǎn)非常高（2400℃），很難通過(guò)單晶的生長(zhǎng)工藝進(jìn)行制備，但是其相變點(diǎn)低于熔點(diǎn)，因而可以通過(guò)陶瓷制備工藝在較低的溫度下（1500℃-1700℃）實(shí)現(xiàn)倍半氧化物透明陶瓷材料的制備。高熱導(dǎo)率和容易制備成大體積增益介質(zhì)的特點(diǎn)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(qiáng)的應(yīng)用前景。
4.制備復(fù)合結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)單晶材料的復(fù)合是把不同功能的單晶材料通過(guò)拋光和熱擴(kuò)散結(jié)合在一起，需要克服結(jié)合面強(qiáng)度較弱、易產(chǎn)生空氣間隙等困難。而利用燒結(jié)工藝制備的陶瓷材料容易被制備成各種復(fù)合結(jié)構(gòu)，如多層結(jié)構(gòu)、芯包結(jié)構(gòu)、梯度摻雜結(jié)構(gòu)等，其結(jié)合面強(qiáng)度較強(qiáng)，制備時(shí)間也較短。在技術(shù)優(yōu)勢(shì)上，單晶摻雜激活離子的分布是單一的，而陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)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(guò)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(zhì)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(zhǎng)下發(fā)出激光。
20世紀(jì)60年代，半透明的Al2O3陶瓷在高壓鈉燈放電管的應(yīng)用，開(kāi)啟了陶瓷材料在光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)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(diǎn)，散射損耗導(dǎo)致其光學(xué)質(zhì)量較差，難以作為激光增益介質(zhì)。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(zhì)實(shí)現(xiàn)了激光振蕩，斜率效率達(dá)到28%，這是激光陶瓷發(fā)展史上的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此后，科研人員對(duì)激光陶瓷器進(jìn)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(guó)際領(lǐng)先地位的日本，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖及樣品禁運(yùn)。相比之下，我國(guó)對(duì)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(guò)自研高透明度Nd:YAG陶瓷，實(shí)現(xiàn)激光輸出。目前，隨著激光技術(shù)和陶瓷材料的不斷發(fā)展，激光陶瓷的應(yīng)用范圍拓展，陶瓷激光器的輸出功率、光-光轉(zhuǎn)換效率的記錄不斷被刷新。
三、激光陶瓷的應(yīng)用
1.激光器制造
激光陶瓷作為增益介質(zhì)，通過(guò)吸收能量并在特定的光波下發(fā)出激光，實(shí)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(yīng)用。
圖1 光纖激光器（圖源：華拓軒光電）
2.光學(xué)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(xué)器件，這些光學(xué)器件可以廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、科研、通訊等領(lǐng)域。
圖2 激光棱鏡（圖源：歐普特科技）
3.生物科學(xué)研究
激光陶瓷在生物科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)治療中也有廣泛應(yīng)用，如熒光光譜分析、生物細(xì)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(lǐng)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(dá)到加工的目的，如激光切割、激光打標(biāo)、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(shù)難點(diǎn)
陶瓷內(nèi)部的晶界、氣孔、晶格的不完整性都會(huì)導(dǎo)致材料的不透明并增加光學(xué)損耗，從而影響激光的產(chǎn)生。光學(xué)損耗包括光學(xué)散射和光學(xué)吸收。光學(xué)吸收是指光學(xué)性能向其他性質(zhì)能量的轉(zhuǎn)變，而光學(xué)散射只改變光的傳播方向，不涉及能量的轉(zhuǎn)換。要提高激光陶瓷材料的光學(xué)質(zhì)量，必須在陶瓷材料制備技術(shù)上下功夫。
一方面，提高原料純度、優(yōu)化成型、燒結(jié)工藝，這是降低光學(xué)損耗的關(guān)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(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前大多數(shù)陶瓷材料都屬于多晶結(jié)構(gòu)，多晶結(jié)構(gòu)中的晶界是造成光學(xué)散射的重要原因之一，因此，激光陶瓷材料的單晶化對(duì)于提高光學(xué)質(zhì)量具有重要意義。
“一代材料，一代器件”，陶瓷材料和激光技術(shù)的相輔相成，必將推動(dòng)陶瓷激光技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。
參考來(lái)源：
[1]李晴等，倍半氧化物激光陶瓷的研究進(jìn)展
[2]楊昊霖等，陶瓷激光器研究進(jìn)展
[3]王飛等，基于透明陶瓷材料的激光研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)請(qǐng)告知?jiǎng)h除！
