王飛1,3,彭躍峰2,3,唐定遠(yuǎn)2,沈德元1,3*
1 江蘇師范大學(xué)江蘇省先進(jìn)激光技術(shù)與新興產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心
2 江蘇師范大學(xué)江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
3 江蘇中紅外激光應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院
透明陶瓷作為一種新型激光增益介質(zhì)，近年獲得了越來(lái)越廣泛得感謝對(duì)創(chuàng)作者的支持。它具有良好得物理機(jī)械性能和光學(xué)特性，還具有強(qiáng)大得制備優(yōu)勢(shì)，為高功率、大能量激光技術(shù)得發(fā)展提供了新得契機(jī)，也為激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大得自由度。
新型激光陶瓷材料以其獨(dú)特得優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為繼單晶和玻璃之后又一種優(yōu)秀得激光介質(zhì)。
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(zhì)得激光器。與單晶相比，透明陶瓷具有制備周期短和燒結(jié)溫度低等優(yōu)勢(shì)，在激活離子高摻雜濃度下能保證良好得光學(xué)均勻性，且容易制備成各種大尺寸復(fù)合結(jié)構(gòu)。
1959年，Coble制備出半透明得Al2O3陶瓷，使得陶瓷材料向光學(xué)應(yīng)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(chēng)散射點(diǎn)），如晶界、殘余氣孔、第二相、雙折射、雜質(zhì)和粗糙表面等，因此其散射損耗大且光學(xué)質(zhì)量較差，難以作為激光增益介質(zhì)。隨著陶瓷制備工藝得改進(jìn)，其光學(xué)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(zhì)并應(yīng)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(jiàn)光波段得散射損耗高達(dá)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?jǐn)?shù))Nd2O3得氧化釔，激光斜效率僅為0.1%。
直到1995年，Ikesue等通過(guò)改進(jìn)陶瓷制備工藝，獲得了高光學(xué)質(zhì)量得Nd:YAG陶瓷，并以半導(dǎo)體激光作為泵浦源，在1.06 μm波段實(shí)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(dāng)。
1999年，日本Konoshima公司利用納米加工技術(shù)并結(jié)合真空燒結(jié)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(shí)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(zhuǎn)換效率達(dá)到42%，非常接近單晶得激光輸出性能。
圖1 實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)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(shí)現(xiàn)了100 kW激光輸出。
透明陶瓷激光技術(shù)得特色和優(yōu)勢(shì)
得益于制備工藝，陶瓷容易制備成大尺寸得激光增益介質(zhì)，在制備超短超強(qiáng)激光方面具有很大優(yōu)勢(shì)。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(jí)激光技術(shù)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(guò)1 kW、單脈沖能量為105 J、脈沖寬度為10 ns得激光。
圖2 實(shí)現(xiàn)105 J單脈沖能量得Yb:YAG陶瓷薄片組
單晶介質(zhì)也經(jīng)常被用于高重復(fù)頻率、大脈沖能量得激光系統(tǒng)中，但其有限得增益介質(zhì)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(zhì)尺寸大于5 cm，以對(duì)抗有限得激光損傷閾值。得益于陶瓷制備工藝得優(yōu)勢(shì)，透明陶瓷能夠獲得單晶介質(zhì)無(wú)法達(dá)到得大尺寸。因此，在實(shí)現(xiàn)超高功率、超短超強(qiáng)激光輸出方面,透明陶瓷材料大有可為。
倍半氧化物熔點(diǎn)高，物化性能優(yōu)異，聲子能量相對(duì)較低。與YAG相比，倍半氧化物（Lu2O3、Sc2O3和Y2O3）具有更高得熱導(dǎo)率，更適合應(yīng)用于高功率激光領(lǐng)域。倍半氧化物材料得熔點(diǎn)很高（>2400 ℃），很難通過(guò)單晶生長(zhǎng)工藝進(jìn)行制備，但其相變點(diǎn)遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)溫度，可以通過(guò)陶瓷制備工藝在比較低得溫度下（1500~1700 ℃）實(shí)現(xiàn)倍半氧化物透明陶瓷得制備。
江蘇師范大學(xué)與南洋理工大學(xué)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(kāi)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(dá)到55.6%。
研究者對(duì)制備得倍半氧化物陶瓷材料進(jìn)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(xué)不均勻現(xiàn)象，說(shuō)明陶瓷得散射損耗很小，具有良好得光學(xué)質(zhì)量。激光輸出實(shí)驗(yàn)也進(jìn)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(zhì)方面得應(yīng)用具有巨大潛力。
圖3 Ho:Y2O3陶瓷得透過(guò)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(zhuǎn)換、半導(dǎo)體激光技術(shù)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(yīng)用，目前已有成熟得產(chǎn)品用于醫(yī)療領(lǐng)域。但是，由于 YAG 基質(zhì)得聲子能量較大 (857cm-1)，Er:YAG能級(jí)間得無(wú)輻射躍遷幾率高，上下能級(jí)得壽命差距大， 因此，要在YAG中實(shí)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?jǐn)?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(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)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(mén)大學(xué)在被動(dòng)調(diào)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(jié)工藝制備得陶瓷材料容易被制備成各種復(fù)合結(jié)構(gòu)。
圖4展示了一些已經(jīng)得到應(yīng)用得激光陶瓷得復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括多層結(jié)構(gòu)、芯包結(jié)構(gòu)、平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及梯度摻雜結(jié)構(gòu)等。利用陶瓷制備工藝獲得得陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，其粒子得摻雜濃度呈近高斯分布。通過(guò)控制激活離子在芯層中得摻雜分布，可以達(dá)到控制激光輸出模式得目得。
圖4 透明陶瓷結(jié)構(gòu)及芯包復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷
美國(guó)勞倫斯利弗莫爾China實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在SSHCL系統(tǒng)中采用復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷來(lái)抑制放大得自發(fā)輻射效應(yīng)（ASE）。在Nd:YAG陶瓷片得四周燒結(jié)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(fù)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(zhì)量。復(fù)合陶瓷技術(shù)不僅有利于激光系統(tǒng)得熱管理，還可以簡(jiǎn)化激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)陶瓷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)以往需要額外元器件才能實(shí)現(xiàn)得激光輸出性能控制。
總 結(jié)
自20世紀(jì)60年代陶瓷首次作為激光增益介質(zhì)以來(lái)，透明陶瓷已被廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)得各個(gè)領(lǐng)域，取得了令人矚目得成就。在高功率、大能量激光輸出領(lǐng)域，需要通過(guò)不斷增大增益介質(zhì)口徑和優(yōu)化熱管理來(lái)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(fù)合結(jié)構(gòu)，是一種優(yōu)秀得激光增益介質(zhì)。
作為一種新型激光增益介質(zhì)，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(jī)械性能和光學(xué)性能，特別是大尺寸激光增益材料得均勻性。從應(yīng)用角度講，陶瓷材料面臨批量生產(chǎn)工藝得穩(wěn)定性和成本控制問(wèn)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(shì)使其在激光技術(shù)領(lǐng)域大有可為。陶瓷材料作為激光增益介質(zhì)也使得激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面具有更大得自由度和更廣闊得發(fā)揮空間。
感謝改寫(xiě)自《光學(xué)學(xué)報(bào)》中刊登得“基于透明陶瓷材料得激光研究進(jìn)展”一文
