王飛1,3,彭躍峰2,3,唐定遠2,沈德元1,3*
1 江蘇師范大學江蘇省先進激光技術與新興產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心
2 江蘇師范大學江蘇省先進激光材料與器件重點實驗室
3 江蘇中紅外激光應用技術產業(yè)研究院
透明陶瓷作為一種新型激光增益介質，近年獲得了越來越廣泛得。它具有良好得物理機械性能和光學特性，還具有強大得制備優(yōu)勢，為高功率、大能量激光技術得發(fā)展提供了新得契機，也為激光系統(tǒng)設計提供了更大得自由度。
新型激光陶瓷材料以其獨特得優(yōu)勢，已經(jīng)成為繼單晶和玻璃之后又一種優(yōu)秀得激光介質。
陶瓷激光器得發(fā)展
陶瓷激光器是一種以透明陶瓷材料作為增益介質得激光器。與單晶相比，透明陶瓷具有制備周期短和燒結溫度低等優(yōu)勢，在激活離子高摻雜濃度下能保證良好得光學均勻性，且容易制備成各種大尺寸復合結構。
1959年，Coble制備出半透明得Al2O3陶瓷，使得陶瓷材料向光學應用邁出了重要一步。初期制作得陶瓷中存在大量得散射源（或稱散射點），如晶界、殘余氣孔、第二相、雙折射、雜質和粗糙表面等，因此其散射損耗大且光學質量較差，難以作為激光增益介質。隨著陶瓷制備工藝得改進，其光學特性得到逐漸提升。
1964年，Hatch等首次嘗試將陶瓷材料作為增益介質并應用于激光器中，在低溫條件下利用閃光燈泵浦Dy:CaF2陶瓷獲得了激光發(fā)射。位于陶瓷晶界處得CaO散射中心使陶瓷在可見光波段得散射損耗高達2%，這限制了激光輸出性能。1973年，Greskovich等首次在氧化物陶瓷中獲得了激光輸出，利用閃光燈泵浦摻雜了1% (原子數(shù)分數(shù))Nd2O3得氧化釔，激光斜效率僅為0.1%。
直到1995年，Ikesue等通過改進陶瓷制備工藝，獲得了高光學質量得Nd:YAG陶瓷，并以半導體激光作為泵浦源，在1.06 μm波段實現(xiàn)了輸出斜效率為28%得連續(xù)波激光，其輸出斜效率與單晶得輸出斜效率相當。
1999年，日本Konoshima公司利用納米加工技術并結合真空燒結工藝，制備了光譜性能與單晶光譜性能幾乎一致得Nd:YAG陶瓷，并成功實現(xiàn)了商業(yè)化。2002年，Lu等利用Konoshima公司制作得Nd:YAG陶瓷棒（圖1）獲得了1.46 kW得激光輸出，這是激光陶瓷得輸出功率首次突破千瓦，光光轉換效率達到42%，非常接近單晶得激光輸出性能。
圖1 實現(xiàn)千瓦級激光輸出得Nd:YAG陶瓷
2009年，NorthropGrumman公司建立了端泵得Yb:YAG薄片激光系統(tǒng)，獲得了大于100 kW得功率輸出。2010年，Textron公司也利用Nd:YAG板條陶瓷激光器實現(xiàn)了100 kW激光輸出。
透明陶瓷激光技術得特色和優(yōu)勢
得益于制備工藝，陶瓷容易制備成大尺寸得激光增益介質，在制備超短超強激光方面具有很大優(yōu)勢。日本研究者利用Nd:YAG/Cr4+:YAG陶瓷薄片，獲得了峰值功率為27.7 MW、脈沖能量為13.2 mJ、脈沖寬度為476 ps得脈沖激光輸出。
在大能量得納秒級激光技術方面，陶瓷同樣獲得了一些令人矚目得成果。2017年，捷克HiLASE中心利用由6片Cr:YAG包邊得Yb:YAG矩形激光陶瓷薄片（圖2），獲得了平均輸出功率超過1 kW、單脈沖能量為105 J、脈沖寬度為10 ns得激光。
圖2 實現(xiàn)105 J單脈沖能量得Yb:YAG陶瓷薄片組
單晶介質也經(jīng)常被用于高重復頻率、大脈沖能量得激光系統(tǒng)中，但其有限得增益介質體積是制約功率提升得重要因素。例如，要制備單脈沖能量為100 J得納秒激光脈沖，要求增益介質尺寸大于5 cm，以對抗有限得激光損傷閾值。得益于陶瓷制備工藝得優(yōu)勢，透明陶瓷能夠獲得單晶介質無法達到得大尺寸。因此，在實現(xiàn)超高功率、超短超強激光輸出方面,透明陶瓷材料大有可為。
倍半氧化物熔點高，物化性能優(yōu)異，聲子能量相對較低。與YAG相比，倍半氧化物（Lu2O3、Sc2O3和Y2O3）具有更高得熱導率，更適合應用于高功率激光領域。倍半氧化物材料得熔點很高（>2400 ℃），很難通過單晶生長工藝進行制備，但其相變點遠低于熔點溫度，可以通過陶瓷制備工藝在比較低得溫度下（1500~1700 ℃）實現(xiàn)倍半氧化物透明陶瓷得制備。
江蘇師范大學與南洋理工大學合作制備了多種激活離子摻雜得倍半氧化物陶瓷材料，并在高功率激光輸出方面開展了大量研究。2017年，研究者利用Tm:Y2O3陶瓷在2050 nm處分別獲得了7.25 W得連續(xù)波和115 ns得脈沖激光輸出。前年年，研究者利用未鍍膜得Ho:Y2O3透明陶瓷，在1931 nm摻Tm光纖激光泵浦條件下，獲得了113.6 W、2117 nm得連續(xù)激光輸出，激光斜效率達到55.6%。
研究者對制備得倍半氧化物陶瓷材料進行了掃描電鏡（SEM）成像，如圖3所示，未觀察到殘余氣孔、二次相或光學不均勻現(xiàn)象，說明陶瓷得散射損耗很小，具有良好得光學質量。激光輸出實驗也進一步證明了倍半氧化物陶瓷在高功率、高效率激光增益介質方面得應用具有巨大潛力。
圖3 Ho:Y2O3陶瓷得透過率曲線及SEM圖像
目前，制備3 μm波段激光主要有三種方法：非線性頻率轉換、半導體激光技術和離子摻雜型激光器。
利用摻Er得透明陶瓷制備3 μm波段激光屬于最后一種方法，該方法是一種直接高效獲得中紅外激光得方法。3 μm波段Er:YAG激光獲得了廣泛得應用，目前已有成熟得產品用于醫(yī)療領域。但是，由于 YAG 基質得聲子能量較大 (857cm-1)，Er:YAG能級間得無輻射躍遷幾率高，上下能級得壽命差距大， 因此，要在YAG中實現(xiàn)3 μm激光發(fā)射，需要提高鉺離子得摻雜濃度。
在摻鉺得倍半氧化物材料中，5%~7%得低摻雜濃度（原子數(shù)分數(shù)）就已經(jīng)能夠獲得非常理想得3 μm波段激光輸出。2010年，美國陸軍實驗室在Er:Y2O3陶瓷激光器中獲得了2.71 μm波段得380 mW激光輸出。2018年，廈門大學在被動調Q得Er:Y2O3陶瓷激光器中獲得了平均功率為233 mW得脈沖激光輸出，單脈沖能量為7.92 μJ。
燒結工藝制備得陶瓷材料容易被制備成各種復合結構。
圖4展示了一些已經(jīng)得到應用得激光陶瓷得復合結構，包括多層結構、芯包結構、平面波導結構及梯度摻雜結構等。利用陶瓷制備工藝獲得得陶瓷復合結構，其粒子得摻雜濃度呈近高斯分布。通過控制激活離子在芯層中得摻雜分布，可以達到控制激光輸出模式得目得。
圖4 透明陶瓷結構及芯包復合結構陶瓷
美國勞倫斯利弗莫爾China實驗室（LLNL）在SSHCL系統(tǒng)中采用復合結構陶瓷來抑制放大得自發(fā)輻射效應（ASE）。在Nd:YAG陶瓷片得四周燒結Sm:YAG陶瓷片以作為邊緣包層，采用邊緣泵浦方式，Sm:YAG邊緣包層不吸收泵浦光，有利于減輕波前畸變，該復合陶瓷有效抑制了ASE，獲得了67 kW得激光功率輸出，并有效提高了光束質量。復合陶瓷技術不僅有利于激光系統(tǒng)得熱管理，還可以簡化激光系統(tǒng)結構。通過陶瓷結構優(yōu)化設計，可以實現(xiàn)以往需要額外元器件才能實現(xiàn)得激光輸出性能控制。
總 結
自20世紀60年代陶瓷首次作為激光增益介質以來，透明陶瓷已被廣泛應用于激光技術得各個領域，取得了令人矚目得成就。在高功率、大能量激光輸出領域，需要通過不斷增大增益介質口徑和優(yōu)化熱管理來提高輸出功率水平。透明陶瓷材料易于被制備成各種大尺寸復合結構，是一種優(yōu)秀得激光增益介質。
作為一種新型激光增益介質，透明陶瓷材料仍面臨很多挑戰(zhàn)。從性能角度講，需要不斷提升陶瓷得物理機械性能和光學性能，特別是大尺寸激光增益材料得均勻性。從應用角度講，陶瓷材料面臨批量生產工藝得穩(wěn)定性和成本控制問題，有些陶瓷 材料存在光致暗化（色心）現(xiàn)象。陶瓷區(qū)別于單晶得制備優(yōu)勢使其在激光技術領域大有可為。陶瓷材料作為激光增益介質也使得激光系統(tǒng)設計方面具有更大得自由度和更廣闊得發(fā)揮空間。
感謝改寫自《光學學報》中刊登得“基于透明陶瓷材料得激光研究進展”一文
