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【原創(chuàng)】激光介質(zhì)新秀:透明陶瓷材料


來源:中國粉體網(wǎng)   梧桐

[導(dǎo)讀]  透明陶瓷材料是繼玻璃和單晶之后的又一激光增益介質(zhì)新秀。

中國粉體網(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


1.制備周期短,生產(chǎn)成本低


陶瓷材料燒結(jié)工藝簡單,制備周期為數(shù)天,適合大批量生產(chǎn)。燒結(jié)裝置無需貴金屬材料,無需在高純保護(hù)性氣氛下進(jìn)行。而單晶生長技術(shù)性復(fù)雜,生長周期為數(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。


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。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,透明陶瓷能夠獲得單晶生長無法達(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,材料內(nèi)部會產(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,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℃),很難通過單晶的生長工藝進(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),制備時間也較短。在技術(shù)優(yōu)勢上,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)展史上的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此后,科研人員對激光陶瓷器進(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)國際領(lǐng)先地位的日本,長期以來對我國實(shí)施技術(shù)封鎖及樣品禁運(yùn)。相比之下,我國對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,必將推動陶瓷激光技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

 

參考來源:

[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


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐)

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