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為什么陶瓷會(huì)被用作激光材料？

日期：2020-03-05 瀏覽次數(shù)：次

激光（Laser），是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)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(gè)技術(shù)領(lǐng)域中都有著大量的應(yīng)用。

激光技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)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(zhì)。目前常用的固體激光基質(zhì)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?yàn)楦吖β蕰?huì)產(chǎn)生熱梯度，而熱梯度又會(huì)導(dǎo)致光束畸變或熱雙折射，從而影響激光束的質(zhì)量，因此有著低熱膨脹系數(shù)、低折射率的陶瓷材料是非常理想的激光工作物質(zhì)。

圖片來(lái)源：sspopov / shutterstock. Com

其實(shí)在過(guò)去，一些高性能、組分較復(fù)雜的陶瓷是無(wú)法在激光技術(shù)中得到應(yīng)用的，而且會(huì)因?yàn)橄⊥两饘僭谔沾桑ㄌ貏e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(wèn)題使其他應(yīng)用都會(huì)受到影響。不過(guò)這些都是過(guò)去了，如今加工技術(shù)的進(jìn)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(méi)有氣孔，沒(méi)有雜質(zhì)，陶瓷高度透明，非常適合產(chǎn)生激光束。而且還可以摻雜不同的稀土元素，制成各種復(fù)雜的形狀，大大增加了其實(shí)用性。

綜合看來(lái)，目前激光陶瓷主要有如下的優(yōu)點(diǎn)：

①制備時(shí)間短，燒結(jié)裝置無(wú)需貴金屬材料，燒結(jié)無(wú)需在高純保護(hù)性氣氛下進(jìn)行，制備成本低；

②可以制備大尺寸，形狀復(fù)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(jié)的溫度比晶體的熔點(diǎn)低許多，制備出的陶瓷其組份偏離??；

⑤陶瓷能夠做成多層材料進(jìn)行燒結(jié)，有可能發(fā)展出多功能陶瓷。

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

激光陶瓷的種類(lèi)都有哪些？

激光陶瓷的制備是在一定的溫度和環(huán)境氣氛下將納米級(jí)的粉體燒結(jié)，使粉體顆粒凝結(jié)變成晶粒結(jié)合體，由多孔體變成致密體。在陶瓷中，激活離子隨機(jī)分布在晶粒的內(nèi)部與表面，沒(méi)有明顯的偏聚現(xiàn)象，激活離子受到的晶場(chǎng)作用、激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、激活離子的電子能級(jí)躍起等類(lèi)似于晶體中的情況。有鑒于此，對(duì)應(yīng)于晶體分類(lèi)，激光陶瓷的分類(lèi)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(lèi)。

美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用日本Konoshima化學(xué)公司生產(chǎn)的Nd:YA G透明激光陶瓷板條研制出高功率全固態(tài)熱容激光器

氧化物陶瓷類(lèi)似于晶體，其硬度、脆性等機(jī)械性能好，熱傳導(dǎo)率高，化學(xué)性能穩(wěn)定，適合于稀土離子（Ln³⁺）和過(guò)渡金屬離子（TM³⁺、TM⁴⁺）摻雜，是非常重要的基質(zhì)材料。晶粒具有立方結(jié)構(gòu)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(zhì)中已摻雜了Nd³⁺、Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺、Cr⁴⁺等離子，并實(shí)現(xiàn)了激光振蕩，摻這些離子的YAG陶瓷目前也已獲得了商業(yè)應(yīng)用。立方結(jié)構(gòu)的倍半氧化物陶瓷有Y₂O₃、Lu₂O₃、Sc₂O₃、YGdO₃等，它們是一些難以進(jìn)行單晶生長(zhǎng)的高熔點(diǎn)激光陶瓷，在這些基質(zhì)中已摻雜了Nd³⁺或Yb³⁺離子并實(shí)現(xiàn)了激光振蕩，這些激光陶瓷在物理化學(xué)性能、激光性能等方面，有表現(xiàn)優(yōu)于YAG陶瓷的地方，在高功率激光和超短脈沖應(yīng)用上有很大的潛力。

迄今已報(bào)道的氟化物激光陶瓷還只有摻鏑的氟化鈣（Dy²⁺:CaF₂），激光波長(zhǎng)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(bào)道，它在中紅外有一個(gè)寬的可調(diào)諧波段（2000～3100nm范圍），未來(lái)在高分辨率光譜、醫(yī)療、激光雷達(dá)、光參量振蕩器OPO中有重要應(yīng)用。對(duì)金屬酸化物激光陶瓷的研究還沒(méi)見(jiàn)報(bào)道。