【原创】激光介质新秀:透明陶瓷材料


来源:中国粉体网   梧桐

[导读]  透明陶瓷材料是继玻璃和单晶之后的又一激光增益介质新秀。

中国粉体网讯  透明陶瓷具有良好的机械性能和光学性能,独特的制备优势促使其成为继玻璃和单晶之后又一种优秀的激光介质,为激光系统的设计提供了更大的自由度和发展空间。


一、透明陶瓷作为激光增益介质的优势


1.制备周期短,生产成本低


陶瓷材料烧结工艺简单,制备周期为数天,适合大批量生产。烧结装置无需贵金属材料,无需在高纯保护性气氛下进行。而单晶生长技术性复杂,生长周期为数十天,通常需要昂贵的铂金或铱坩锅,生产成本较高。因此,与单晶相比较而言,透明陶瓷具有非常明显的制备成本优势。


2.大尺寸制备,高功率输出


陶瓷的制备工艺使其更容易制备成大尺寸的激光增益介质,因此在超短、超强激光的产生方面具有很大的优势。单晶介质虽然也经常被用于高重频、大脉冲能量的激光系统中,但其有限的增益介质体积是制约功率提升的重要因素。得益于陶瓷制备工艺优势,透明陶瓷能够获得单晶生长无法达到的大尺寸。


玻璃虽然容易被制成大尺寸,但热导效率远低于绝大多数激光晶体,在高功率工作时,材料内部会产生热致双折射效应和光学畸变,除此之外,玻璃还具有硬度较低、激光振荡阈值较高等缺点。而透明陶瓷单色性好、热导率高,可以承受更高的辐射功率。因此,在超高功率、超短、超强激光输出方面,透明陶瓷材料大有所为。


3.开发新型激光材料


倍半氧化物具有声子能量低、热膨胀系数低、热导率高、损伤阈值低等优势,在固体高功率激光领域有着极大的应用前景。倍半氧化物材料熔点非常高(2400℃),很难通过单晶的生长工艺进行制备,但是其相变点低于熔点,因而可以通过陶瓷制备工艺在较低的温度下(1500℃-1700℃)实现倍半氧化物透明陶瓷材料的制备。高热导率和容易制备成大体积增益介质的特点使得倍半氧化物在制备高功率、高效率和超短脉冲激光方面具有很强的应用前景。


4.制备复合结构


传统单晶材料的复合是把不同功能的单晶材料通过抛光和热扩散结合在一起,需要克服结合面强度较弱、易产生空气间隙等困难。而利用烧结工艺制备的陶瓷材料容易被制备成各种复合结构,如多层结构、芯包结构、梯度掺杂结构等,其结合面强度较强,制备时间也较短。在技术优势上,单晶掺杂激活离子的分布是单一的,而陶瓷复合结构中激活离子接近理想的高斯分布,这种激活离子的分布有利于生成高斯模式的激光,通过控制激活离子在激光陶瓷中的掺杂分布,可以获得想要得到的激光模式。


 

二、激光陶瓷的发展历程


激光陶瓷是一种以激光增益介质为特性的陶瓷材料,这些陶瓷可以吸收能量并在特定的光波长下发出激光。


20世纪60年代,半透明的Al2O3陶瓷在高压钠灯放电管的应用,开启了陶瓷材料在光学领域应用的新篇章。然而,初期制作的陶瓷中存在残余气孔、第二相、双折射等大量的散射点,散射损耗导致其光学质量较差,难以作为激光增益介质。直到1995年,日本才首次制备出高透明度的Nd:YAG陶瓷,以此作为激光增益介质实现了激光振荡,斜率效率达到28%,这是激光陶瓷发展史上的一个关键转折点。此后,科研人员对激光陶瓷器进行了大量的研发工作。而由于陶瓷材料的军事敏感性,在激光陶瓷研究中占据国际领先地位的日本,长期以来对我国实施技术封锁及样品禁运。相比之下,我国对于激光陶瓷的研究起步较晚,总体上与日本存在较大差距,于2006年中科院上海硅酸盐研究所首次通过自研高透明度Nd:YAG陶瓷,实现激光输出。目前,随着激光技术和陶瓷材料的不断发展,激光陶瓷的应用范围拓展,陶瓷激光器的输出功率、光-光转换效率的记录不断被刷新。

 

三、激光陶瓷的应用


1.激光器制造


激光陶瓷作为增益介质,通过吸收能量并在特定的光波下发出激光,实现了高能量、高功率和高亮度的激光输出,在固体激光器和光纤激光器中得到了广泛的应用。

 

图1 光纤激光器(图源:华拓轩光电)


2.光学器件制造


激光陶瓷可以用于制造透镜、棱镜、反射镜等各种光学器件,这些光学器件可以广泛地应用于医疗、科研、通讯等领域。

 

图2 激光棱镜(图源:欧普特科技)


3.生物科学研究


激光陶瓷在生物科学研究、医学治疗中也有广泛应用,如荧光光谱分析、生物细胞成像和光热治疗等。

 

图3 荧光光谱仪(图源:瑞第电子)


4.精密加工


激光是微加工领域的有效工具,将一定功率的激光聚焦于被加工物体上,使激光与物体相互作用,达到加工的目的,如激光切割、激光打标、激光焊接等。

 

图4 激光切割样品(图源:大族激光)

 

四、激光陶瓷的技术难点


陶瓷内部的晶界、气孔、晶格的不完整性都会导致材料的不透明并增加光学损耗,从而影响激光的产生。光学损耗包括光学散射和光学吸收。光学吸收是指光学性能向其他性质能量的转变,而光学散射只改变光的传播方向,不涉及能量的转换。要提高激光陶瓷材料的光学质量,必须在陶瓷材料制备技术上下功夫。


一方面,提高原料纯度、优化成型、烧结工艺,这是降低光学损耗的关键;另一方面,激光陶瓷材料的单晶化制备是激光陶瓷材料制备技术的一个重要发展方向。目前大多数陶瓷材料都属于多晶结构,多晶结构中的晶界是造成光学散射的重要原因之一,因此,激光陶瓷材料的单晶化对于提高光学质量具有重要意义。


“一代材料,一代器件”,陶瓷材料和激光技术的相辅相成,必将推动陶瓷激光技术的持续发展。

 

参考来源:

[1]李晴等,倍半氧化物激光陶瓷的研究进展

[2]杨昊霖等,陶瓷激光器研究进展

[3]王飞等,基于透明陶瓷材料的激光研究进展


(中国粉体网编辑整理/梧桐)

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