为什么陶瓷会被用作激光材料？ - 技术科普 - 新闻动态

為什么陶瓷會被用作激光材料？

日期：2020-03-05 瀏覽次數：次

激光（Laser），是一種自然界原本不存在的，因受激而發出的，具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。它具有普通光完全不具備的四大特性：方向性好、亮度高、單色性好、相干性好，使其在各個技術領域中都有著大量的應用。

激光技術的一個重要發展方向是高平均功率、高峰值功率的固體激光器，而固體激光器的核心是固體激光工作物質。目前常用的固體激光基質材料主要有三種：玻璃、單晶和陶瓷，其中“陶瓷”更受高功率激光器的青睞。這是因為高功率會產生熱梯度，而熱梯度又會導致光束畸變或熱雙折射，從而影響激光束的質量，因此有著低熱膨脹系數、低折射率的陶瓷材料是非常理想的激光工作物質。

圖片來源：sspopov / shutterstock. Com

其實在過去，一些高性能、組分較復雜的陶瓷是無法在激光技術中得到應用的，而且會因為稀土金屬在陶瓷（特別是摻雜陶瓷）中的組成不同、和坩堝的相互作用、相變和溶解性差等問題使其他應用都會受到影響。不過這些都是過去了，如今加工技術的進步提供了多種可行的透明陶瓷合成方法，制備的陶瓷材料表面呈單晶狀，原子水平上呈多晶，晶界干凈、微薄，沒有氣孔，沒有雜質，陶瓷高度透明，非常適合產生激光束。而且還可以摻雜不同的稀土元素，制成各種復雜的形狀，大大增加了其實用性。

綜合看來，目前激光陶瓷主要有如下的優點：

①制備時間短，燒結裝置無需貴金屬材料，燒結無需在高純保護性氣氛下進行，制備成本低；

②可以制備大尺寸，形狀復雜的材料；

③陶瓷中摻雜粒子濃度高，從整體上看摻雜粒子的分布均勻；

④陶瓷燒結的溫度比晶體的熔點低許多，制備出的陶瓷其組份偏離小；

⑤陶瓷能夠做成多層材料進行燒結，有可能發展出多功能陶瓷。

相比之下，玻璃基質雖然能得到大尺寸樣品，但其熱導率太低，很難實現大功率激光器；單晶的熱導率要比玻璃高，但是單晶生長周期長，成本昂貴，很難獲得高品質、大尺寸的晶體。

激光陶瓷的種類都有哪些？

激光陶瓷的制備是在一定的溫度和環境氣氛下將納米級的粉體燒結，使粉體顆粒凝結變成晶粒結合體，由多孔體變成致密體。在陶瓷中，激活離子隨機分布在晶粒的內部與表面，沒有明顯的偏聚現象，激活離子受到的晶場作用、激活離子的能級結構、激活離子的電子能級躍起等類似于晶體中的情況。有鑒于此，對應于晶體分類，激光陶瓷的分類大致可以分為：氧化物陶瓷、氟化物陶瓷（包括Ⅱ-Ⅵ族化合物陶瓷）、金屬酸化物陶瓷等三類。

美國Lawrence Livermore國家實驗室的研究人員利用日本Konoshima化學公司生產的Nd:YA G透明激光陶瓷板條研制出高功率全固態熱容激光器

氧化物陶瓷類似于晶體，其硬度、脆性等機械性能好，熱傳導率高，化學性能穩定，適合于稀土離子（Ln³⁺）和過渡金屬離子（TM³⁺、TM⁴⁺）摻雜，是非常重要的基質材料。晶粒具有立方結構的氧化物陶瓷中，典型代表是人工石榴石和一些倍半氧化物。人工石榴石包括釔鋁石榴石（Y₃Al₅O₁₂→YAG）、釔鈧鋁石榴石（Y₃ScAl₄O₁₂→YSAG）和釓鎵石榴石（Gd₃Ga₅O₁₂→GGG）等，在前兩種基質中已摻雜了Nd³⁺、Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺、Cr⁴⁺等離子，并實現了激光振蕩，摻這些離子的YAG陶瓷目前也已獲得了商業應用。立方結構的倍半氧化物陶瓷有Y₂O₃、Lu₂O₃、Sc₂O₃、YGdO₃等，它們是一些難以進行單晶生長的高熔點激光陶瓷，在這些基質中已摻雜了Nd³⁺或Yb³⁺離子并實現了激光振蕩，這些激光陶瓷在物理化學性能、激光性能等方面，有表現優于YAG陶瓷的地方，在高功率激光和超短脈沖應用上有很大的潛力。

迄今已報道的氟化物激光陶瓷還只有摻鏑的氟化鈣（Dy²⁺:CaF₂），激光波長是2.36μm，它也是最早研究的激光陶瓷。Ⅱ-Ⅵ族化合物激光陶瓷目前也只有摻鉻的硒化鋅（Cr²⁺:ZnSe）被報道，它在中紅外有一個寬的可調諧波段（2000～3100nm范圍），未來在高分辨率光譜、醫療、激光雷達、光參量振蕩器OPO中有重要應用。對金屬酸化物激光陶瓷的研究還沒見報道。