陶瓷激光材料 （Ceramic laser materials)

AKIO IKESUE*,  YAN LIN AUNG 

 

 从日本科学家A.Ikesue博士首次报道Nd:YAG透明陶瓷实现连续激光输出至今已经有14个年头了，期间激光陶瓷领域也得到了迅猛的发展，但目前代表激光陶瓷最高水平的仍然是A.Ikesue博士的Word Lab公司和日本神岛化学公司（Konoshima）。2008年，A.Ikesue博士在Nature Photonics上发表了题为“Ceramics laser materials”的综述性文章（Nature Photonics/ VOL 2/ DECEMBER 2008），让我们随着他的思路来回顾一下激光陶瓷的发展历程，分享激光陶瓷领域的重大结果，并且展望一下激光陶瓷的前景。

固体激光器已经被广泛应用在金属加工、医疗设备、激光打印、环境检测和光学器件上，同时它也是下一代激光核聚变的点火装置。单晶和玻璃是传统意义上的固体激光增益介质，早在1960年，梅曼（Maiman）制成了世界上第一台激光器——红宝石激光。自从1964年Nd:YAG单晶在室温下实现连续激光输出后，使用单晶作为激光增益介质的固体激光不断向前发展，然而传统的单晶激光增益介质在技术和生产成本上仍有很多问题有待解决。

 最近，陶瓷激光技术由于具有单晶激光不可比拟的优点而成为了一种新型的，具有潜力的激光材料。首先，激光陶瓷能够做到大尺寸制备并实现高功率激光输出。其次，能够作为高光束质量光纤激光的增益介质和复杂结构的增益介质，而复合结构则是单晶和玻璃制备技术难以实现的。激光陶瓷还能实现激活离子的高浓度、均匀掺杂。同时，陶瓷制备技术适合开发新型的激光材料，如倍半氧化物体系，这些材料用传统的单晶生长技术很难制备。此外，采用陶瓷烧结技术能够制备新型结构的单晶，这种源于陶瓷的单晶具有很高的抗激光辐照能力，很长的使用寿命和非常高的激光功率密度。这种新型的激光增益介质不能用传统的单晶生长技术来制备，并且很可能具有新的激光性能。

早在1964年，Dy:CaF₂陶瓷首次在低温下用做激光增益介质。20世纪70年代，Nd:Y₂O₃-ThO₂陶瓷实现了脉冲激光输出。虽然这代表了陶瓷激光技术的开端，但是低下的激光振荡效率并没有引起材料和激光科学家的关注。在20世纪80年代，开发出来的半透明YAG陶瓷由于光学质量不高而难以现实高效激光输出。20世纪90年代早期，Nd:YAG陶瓷在日本成功实现了连续激光输出，然而这个结果并没有被广泛关注直到1995年A.Ikesue博士在美国陶瓷学会会刊上报道结果。从此以后，激光陶瓷领域迅速发展，不光在日本，中国、美国和欧洲很多国家的科研工作者都投身到激光陶瓷的研究中去，大家关注的不仅是激光陶瓷的制备技术，还包括未来固体激光技术的发展。

高效激光振荡

如图1a所示，陶瓷是由很多取向无序的微晶所组成。半透明陶瓷的制备始于20世纪50年代，但是具有高效激光振荡的透明陶瓷却是从20世纪90年代才出现的。理由很简单，半透明陶瓷中包含很多散射中心，如晶界相、残余气孔和第二相，这些散射中心能够显著的引起散射损失，并最终使得在半透明陶瓷增益介质不能实现激光振荡。1995年A. Ikesue博士在美陶中报道的Nd:YAG陶瓷具有与单晶相近的激光性能。文中报道的Nd:YAG透明陶瓷的显微结构与传统的半透明陶瓷有明显的区别。从图1b和图1c中可以看出，这些材料中没有双折射和折射率的变化，表明透明陶瓷的光学质量很高。在图1d和图1e的微观照片中可以看出，没有残余气孔、第二相和光学不均匀区域。从图1f和图1g可以发现，原子尺度的晶界非常干净，在晶粒内部的点缺陷、线缺陷和位错缺陷已经控制在很小的程度。

 

这些结果表明，成型技术对获得陶瓷“完美”显微结构是至关重要。一旦掌握了制备具有“完美”光学均匀性和显微结构陶瓷的技术，发展超低散射损失陶瓷的道路就会变得平坦，具有跟单晶激光性能相媲美的高效陶瓷激光增益介质也能顺利开发出来。然而，由于多晶陶瓷固有的物理特性，即便是具有理想显微结构的陶瓷，由于晶界的存在而对激光的高振荡效率、高光束质量会有影响。

                    

Figure 2 Laser oscillation using optical-grade Nd:YAG ceramics. a, Experimenta set-up for c.w. and quasi-c.w. laser oscillation performed in 1991 using optical-grade Nd:YAG ceramics. An Ar-ion laser was used for side-pumping and a laser diode with an operation wavelength of 808 nm was used for end-pumping. b, C ontinuous-wave laser performance achieved in 1995 (ref. 39). Comparison between polycrystalline ceramics (pale blue) and commercial single crystal (red) shows that the laser performance of polycrystalline ceramics is equivalent to that of single crystals. Lines show best fit to the experimental results. Reprinted with permission from ref. 39. c, Demonstration of blue and green laser oscillation using Nd:YAG ceramics. The grain boundaries in the ceramics do not affect the laser oscillation mode or short-wavelength laser oscillation. Reprinted with permission from ref. 71.

 

图2a是1991年首次用光学级别的Nd:YAG陶瓷实现连续和准连续激光输出的实验装置，分别用808nm的Ar离子激光和激光二极管（LD)用侧面和端面方式泵浦。为了比较单晶和陶瓷的激光性能，用激光二极管端面泵浦这两种激光增益介质。结果表明，陶瓷的激光性能与单晶几乎相同。目前，我们使用Nd:YAG陶瓷作为激光增益介质，激光输出的斜率效率高于60%。陶瓷激光增益介质的横模是高斯分布的单模，而纵模也可以形成单模。陶瓷的晶界处有位错（晶粒取向不同）存在，晶界处的散射——也就是瑞利散射对陶瓷激光增益介质的影响是致命的。陶瓷激光增益介质产生的单模激光证明晶界不会影响相干光束的产生和放大。其他研究团队也报道了使用陶瓷激光增益介质实现了高效激光输出。图2c是使用KTP和KN非线性单晶二次谐波产生器生成的蓝绿陶瓷激光，这些结果也表明陶瓷晶界上的散射并不会影响激光模式和短波激光振荡。

陶瓷技术的现状

单晶生长技术是一个把原料先熔化然后重新固化的过程，这种方法制备的材料种类是非常有限的。由于需要把原料加热到熔点以上，单晶生长技术存在一些问题需要解决。譬如在单晶生长的过程中，激光激活离子在固液界面上的熔解和偏析都会引起热量的波动。熔融生长制备的单晶通常存在核心、条纹、小面和光学畸等，这些缺陷会引起光学不均匀。然后提升熔融生长单晶的光学质量几乎不太可能。此外，熔融工艺过程中，为了防止断电和地震的突发事件，需要建立备用系统。这样同时会增加能耗和价格，并降低产量。1995年，A.Ikesue博士使用多晶Nd:YAG陶瓷作为激光增益介质并开发了陶瓷激光，这证明陶瓷材料能构克服熔融生长单晶技术在技术和经济上的局限。1997年，使用高浓度掺杂Nd:YAG陶瓷作为微片激光介质实现了单模激光振荡，而使用单晶技术不容易实现高浓度掺杂。接着Nd:YSAG和Yb:YSAG陶瓷实现了超短（皮秒和飞秒)脉冲输出。最近几年，陆续有一些有关大功率激光输出的有趣报道。2001年，使用Nd:YAG陶瓷棒成功实现了1.4kW的连续激光输出，然后激光效率比相应的单晶要低15%。神岛化学公司使用大尺寸的Nd:YAG陶瓷（100mm×100mm×20mm）实现了67kW的准连续激光输出，见图3。

     

      我们必须认识到高功率激光服役条件下，陶瓷的晶界处会引起破坏。至今仍然没有报道关注激光陶瓷的使用寿命，但是总的来说，陶瓷技术并不会限制激光增益介质的尺寸。因此大尺寸对发展高功率激光是一个非常重要的优势。虽然陶瓷中的晶界被认为是一种结构上的缺陷，但是这种缺陷却能够显著地提高激光材料的断裂任性和抗热震性。

新型激光增益介质和功能化

    使用陶瓷技术，可以在远低于熔点的温度下短时间烧结高熔点的固体颗粒。倍半氧化物（如Y₂O_3、Sc₂O₃和Lu₂O₃）是一种有前景的激光材料，但是它们的熔点非常高（2400摄氏度）并且相变点低于熔点问题。采用陶瓷技术可以制备这种体系的激光材料，由于倍半氧化物的高热导和大尺寸制备的可行性，这些体系已经用来开发像钛宝石那样的高功率、超短脉冲激光。关于倍半氧化物陶瓷激光的结果已有报道，例如用热等静压工艺合成了Nd：HfO₂-Y₂O₃透明陶瓷；用Er:Sc₂O₃透明陶瓷实现了斜率效率高达77%的激光输出；通过控制Nd:Y₂O₃的对称性，开发了5nm的宽幅激光，而通常的Nd:Y₂O₃激光的带宽只有1nm。基于这个法则，倍半氧化物透明陶瓷在开发可调谐和超短脉冲激光具有很大的潜力。用克尔棱镜锁模技术，Yb:Lu₂O₃和Yb:Sc₂O₃陶瓷激光可以获得短脉冲激光振荡，其中Yb:Sc₂O₃陶瓷激光的脉冲宽度为92fs，平均输出功率为850mW。

   

        考虑到陶瓷制备技术能为增益介质提供复杂的结构和形状，而这一点在单晶制备技术中是没法实现的。图4A是目前激光陶瓷复合结构的几种形式，表1是上面几种复合结构的激光性能。最近几年，制备尺寸为几十毫米真正具有球形的Nd:YAG微球激光具有很大的挑战。图4B是核心掺杂Nd离子的核壳复合结构。复合结构陶瓷激光在外形上与单晶的类似，但是就技术上的优势而言，两者还是有区别的。就单晶来讲，掺杂Nd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分布，将来可以获得想要得到的激光模式。

 

   

    图5a是Nd离子在激光增益介质长度方向的分布，可以看出激活离子在陶瓷烧结体内按函数平滑分布。在激光服役条件下，控制激光增益介质的温度是至关重要的，因为热透镜效应会损害激光振荡效率和光束质量。图5b是采用端面激光泵浦方式，激活离子均匀掺杂的传统Nd:YAG单晶和激活离子呈浓度梯度分布的Nd:YAG陶瓷的热分布曲线。在激光服役条件下，采用红外热观测仪定量分析激光增益介质中的热量分布。在Nd:YAG单晶中，在接近边缘区域有非常高的热量产生。而在复合结构激光陶瓷中，由于激活离子的浓梯分布抑制了大量的热量产生。设计激光服役条件下增益介质的热分布仍在进一步研究之中，并会在不久的将来报道。

技术目标

    传统熔融生长单晶制备技术有关的其中一个重要问题是很难在分凝系数小的基质材料中实现激活离子的高浓度均匀掺杂。例如在YAG基质中Nd离子的分凝系数为0.2，所以只有大约1.0at%的Nd离子能够在基质中均匀掺杂。即使高浓度掺杂的Nd：YAG单晶能够制备，其光学质量也不是很高。生长的晶体中可能包含小面并且在棒的长度方向存在浓度梯度。这些单晶生长技术上的问题到目前仍没有得到解决。

 

  Fig. 6 The growth of SSCG single crystal and its laser performance

       

        2005年，采用陶瓷烧结技术，Nd：YAG单晶、Nd：YAG单晶微球和复合结构单晶已经成功制备。图6a是采用固相晶体生长技术制备单晶的示意图。具有相对比较小晶粒尺寸的Nd：YAG陶瓷和Nd：YAG籽晶键合在一起，通过高温热处理方式，陶瓷中的小晶粒被“吸收”到籽晶中去。在固相晶体生长（SSCG)技术中，当单晶的表面能远小于陶瓷小晶粒的表面能时就会发生连续的晶粒生长，多晶陶瓷便会转变成单晶材料。用固相晶体生长（SSCG)技术制备的高浓度掺杂Nd：YAG的显微结构和外观图如图6b，c所示。这种无残余气孔陶瓷和SSCG单晶（组分均为2.4at%Nd:YAG)的激光性能如图6d所示。虽然SSCG单晶的激光损伤阈值没有测试，但是由于晶界的减少激光转化效率得到了提高。用烧结技术制备的SSCG单晶没有传统熔融法制备单晶的光学不均匀区域（如核心和小面等）。在多晶陶瓷中，大量的缺陷存在于晶界处，这些缺陷在超高功率和超长时间激光服役条件下会引起损伤。然而用烧结方法制备的SSCG单晶适合用于制备高性能激光增益介质，其性能超越多晶陶瓷激光增益介质和用传统晶体生长技术制备的单晶，如高掺杂Nd：YAG单晶、复合结构单晶和单晶微球。

       目前制备的激光陶瓷的晶体结构主要局限在立方晶系上，然而单晶的烧结制备技术不仅适合于立方结构激光增益介质，同样也适用于六方和四方晶系的激光增益介质。用烧结技术制备单晶始于单晶铁酸盐的制备，但是激光级别的单晶一直没有获得。现在，SSCG技术在制备大尺寸单晶、复合结构单晶和直径为数十微米球形（用于回音廊模激光）。另一个非常重要的单晶制备的关键是陶瓷具有纳米结构。例如，具有六方晶系的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸一般是从几个微米到几十微米。这种氧化铝陶瓷直线透过率低并且具有双折射，所以不能用于激光增益介质。然而，如果晶粒尺寸远小于激光振荡波长的纳米氧化铝陶瓷能构制备，这个纳米结构的氧化铝陶瓷将来可以用作激光基质材料。

激光陶瓷的局限性和解决方法

        尽管陶瓷技术有上述优点，但是陶瓷技术也并不是完美的。存在的问题包括：用于开发高功率激光的大尺寸激光增益介质的制备；稳定的激光运作；晶界的存在对激光损伤的影响；非立方结构激光增益介质的开发。制备陶瓷所使用的原料通常为亚微米和纳米级别的粉体，所以这些粉体的处理十分困难。特别在制备陶瓷激光增益介质的工艺中，具有非常良好堆积性能的粉体制备是关键。粉体堆积不均匀会在烧结体中产生残余气孔（散射中心）。然而，制备没有任何不均匀的粉体是非常困难的。因此接下来激光陶瓷制备技术革新主要集中在具有玻璃激光增益介质尺寸的陶瓷激光增益介质的制备，要解决这个问题有两个方法，一个是建立一套精确的陶瓷成型工艺，另一个是把小尺寸激光增益介质键合成大尺寸。陶瓷是由不同取向的晶粒所组成，因此杂质容易聚集，通常在晶界处缺陷的密度高很多。当用光学X射线断层摄影术观察陶瓷的晶界，发现在晶界处存在大量的光学散射中心。为了提高激光转化效率、减少光学损耗，晶界处的光学散射必须完全消除。非立方结构的晶体具有双折射，这在陶瓷中会引起强烈的光学损耗。为了满足客户的需求和扩大客户的选择，纳米结构陶瓷制备技术和SSCG单晶制备技术对开发有前景的激光材料是非常重要的。

展望

        在全球范围内开发陶瓷激光的历史仍十分短，不过几十年。源于日本的激光陶瓷技术在世界范围内盛行，但在美国和中国也已有关于陶瓷激光增益介质成功实现激光振荡的报道。同时在欧洲和亚洲其它国家，陶瓷激光技术也将取得成功。从根本上讲，陶瓷激光不仅仅是传统单晶激光的潜在替代品。虽然到目前为止，这个领域仍处于研发阶段，但传统单晶技术不能实现的激光性能已经在激光陶瓷上实现。熔融生长的单晶材料花费了今20年才实现商业化，与这个情况相似，陶瓷激光实现商业化仍然需要一些时日。

  陶瓷激光以后的应用可能包括：环境检测、高速金属加工、手术和诊断用医疗设备、激光导航系统、投影和激光电视用RGB光源、激光驱动核巨变等。事实上，其中一些应用已经处于产品研发阶段。在不久的将来，陶瓷技术有望对各种无源光学器件（如红外视窗、透镜、棱镜、非线性光学部件、闪烁体等）产生技术革新。此外，透明陶瓷的使用将会延伸到压电和热电材料和工程陶瓷领域。在传统陶瓷中的散射中心数量已经影响了光学期间的应用，因此开发能获得显微结构完美（接近理论极限）的陶瓷技术变得十分迫切。一旦陶瓷能够获得完美的显微结构，这种制备技术能够延伸到其它技术领域。

附原文：Ceramic laser materials

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