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先进陶瓷期刊新综述：用于固体激光器的氟化物透明陶瓷的研究进展精选

已有 4457 次阅读 2024-10-22 11:00 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Li X, Hu C, Liu Q, et al. Fluoride transparent ceramics for solid-state lasers: A review. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220986

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220986

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/384888111_Fluoride_transparent_ceramics_for_solid-state_lasers_A_review?_tp=eyJjb250ZXh0Ijp7ImZpcnN0UGFnZSI6InByb2ZpbGUiLCJwYWdlIjoicHJvZmlsZSIsInByZXZpb3VzUGFnZSI6InByb2ZpbGUifX0

1、导读

在固体激光器中用作激光增益介质的氟化物透明陶瓷因其优异的综合性能而备受关注。本文全面综述了氟化物激光陶瓷的研究进展，总结了CaF₂、SrF₂和BaF₂基透明陶瓷的制备方法，重点介绍了应用于不同波段的稀土离子掺杂氟化物激光陶瓷的研究现状。总结了氟化物激光陶瓷目前的激光性能并指出了当前面临的问题和挑战，并提出未来的研究方向。该综述对氟化物激光陶瓷的发展以及性能优化具有重要意义，有助于进一步提升氟化物透明陶瓷的可应用性。

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2、研究背景

氟化物材料在声子能量、折射率、非线性折射系数以及负热光系数等方面的特点使其成为激光基质材料的热门。同时氟化物基激光陶瓷的热导率与氟化物激光晶体相当，并且在断裂韧性和显微硬度等力学性能方面更具优势，同时还易于实现稀土离子的高浓度均匀掺杂和大尺寸、复杂形状的制备，因此是极具潜力的激光增益介质。

3、文章亮点

本综述全面总结了用于固体激光器的氟化物透明陶瓷的研究进展。首先，本文介绍了激光陶瓷的研究进展并阐明了氟化物透明陶瓷作为激光增益介质的优势。然后总结了氟化物基透明陶瓷前驱体粉末的合成方法及陶瓷的制备工艺，并指出了不同粉末合成方法及陶瓷制备工艺对应的优缺点。同时系统讨论了应用于不同波段的稀土离子掺杂氟化物透明陶瓷的研究现状，总结了氟化物激光陶瓷目前的激光性能和氟化物透明陶瓷内部常见的缺陷及解决方法。最后指出了氟化物透明陶瓷目前仍旧存在的问题及未来的发展方向。

4、研究结果及结论

（1）介绍了激光陶瓷的研究进展并阐明了氟化物透明陶瓷作为激光增益介质的优势（包括低声子能量、宽发射带、优异的机械和热学性能以及低的非线性折射率等）。值得注意的是，氧化物透明陶瓷对氟化物陶瓷的发展提供的启发和指导作用不容忽视。研究人员利用从氧化物透明陶瓷的发展中获得的启发，如制备技术、烧结助剂、微结构调控和复合结构开发等，大大提高了氟化物激光陶瓷的性能和适用性。

（2）总结了氟化物基透明陶瓷的制备工艺，并指出了不同氟化物粉体合成方法及陶瓷制备工艺对应的优缺点。高光学质量的氟化物透明陶瓷需要其具备陶瓷内部无气孔，晶界薄且干净，不存在第二相散射源等条件。氟化物基激光陶瓷的制备技术主要包括不依赖陶瓷粉体的热锻单晶法及传统的粉体烧结技术。其中热锻单晶法以单晶为原料，这大大提高了制备成本并且丧失了陶瓷材料在大尺寸及复杂形状制备方面的优势。目前氟化物透明陶瓷主流的制备方式为粉体成型烧结方法，主要包括高质量粉体的合成，素坯的成型以及最终的烧结。粉体合成主要包括固相法与湿化学法；素坯成型主要为干压成型、冷等静压成型以及湿法成型；主流的陶瓷烧结技术包括：热压烧结（HP）、真空烧结、热等静压烧结（HIP）及放电等离子体烧结（SPS）等，上述方法都存在各自的优势与不足。

（3）系统讨论了应用于不同波段的稀土离子掺杂氟化物激光陶瓷的研究现状。总结了氟化物激光陶瓷目前的性能水平和陶瓷内部常见的缺陷类型及缺陷消除方法，最后指出了氟化物透明陶瓷目前仍旧存在的问题及未来的发展方向。氟化物透明陶瓷目前已成功在可见光和红外波段实现了激光输出。不过，与氟化物单晶相比，氟化物透明陶瓷的激光输出功率和斜率效率相对较低，目前未见用于高功率和超短脉冲激光方面的报道。此外，氟化物透明陶瓷的光学质量仍需进一步提升，在短波处透过率的急剧下降会导致严重的光学损耗，阻碍实现更高效率、更高功率的激光输出。未来的研究仍应聚焦于优化氟化物透明陶瓷的光学质量，并确保制备过程的重复性和一致性。同时，关于消除氟化物透明陶瓷中的缺陷以提高材料性能方面的研究还不够充分。此外，还应进一步拓宽氟化物透明陶瓷的种类与应用领域。

5、作者及研究团队简介

李江（通讯作者），中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家。现任Journal of Advanced Ceramics副主编、《无机材料学报》副主编、美国陶瓷学会期刊Journal of the American Ceramic Society和International Journal of Applied Ceramic Technology副编辑（Associate editor）、Magnetochemistry、《现代技术陶瓷》、《人工晶体学报》、《功能材料与器件学报》等期刊的编委。目前主要从事光功能透明陶瓷（包括：激光陶瓷、闪烁陶瓷、磁光陶瓷、照明/显示用荧光陶瓷、长余辉发光陶瓷等）的基础与应用研究。连续4年入选美国斯坦福大学发布的“终身科学影响力排行榜”（全球前2%顶尖科学家榜单）。受邀在国内外重要学术会议上作邀请报告60余次（20余次担任分会主席）。以项目负责人承担国家及省部级项目20余项。迄今在国内外重要学术期刊上发表论文446篇（其中第一作者及通讯作者275篇）；合著科学出版社专著《高温结构陶瓷研究浅论》和《先进光功能透明陶瓷》2部；合译高等教育出版社专著《发光材料》1部；参与2部英文专著部分章节的撰写；参与教材《无机非金属材料工学》第19章《透明陶瓷》的编写；申请中国发明专利50余项（其中授权25项）。

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李想（第一作者），江苏大学材料科学与工程学院硕士研究生，目前在中国科学院上海硅酸盐研究所透明与光功能陶瓷课题组联合培养，主要开展氟化物透明陶瓷的组分设计与性能优化相关工作。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。