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激光透明陶瓷具有很多单晶和玻璃激光材料所不具备的优点。同单晶相比,透明陶瓷具有以下优势:
(1)具有与单晶相似的物理化学性质、光谱特性和激光性能。已有的研究表明,高光学质量的多晶陶瓷在热导率、膨胀系数、吸收和发射光谱、荧光寿命等方面与同组成单晶几乎一致,激光性能与单晶相似甚至更优,而在机械性能方面,多晶陶瓷比单晶也有一定幅度的提高。
(2)容易制备出大尺寸的激光透明陶瓷,且形状容易控制。晶体生长技术由于受各种条件限制很难获得大尺寸单晶,难以满足特殊的应用需要。陶瓷成型工艺简单,烧结温度通常都大大低于单晶生长的熔融温度;有些理论上预计有较好激光性能的材料,如:Nd3+/Yb3+:RE2O3(RE=Y, Sc, Lu)等,由于温度高、熔点附近发生相变等原因,无法生长出同时具有高光学质量和大尺寸的单晶,而采用陶瓷的制备技术可望在远低于熔点的温度下实现透明化。
(3)制备周期短,生产成本低。陶瓷材料烧结工艺简单,制备周期为数天,适合大规模生产,成本较低。而单晶生长技术性强,生长周期为数十天,通常需要昂贵的铂金或铱坩锅,生产成本很高。
(4)可以实现高浓度掺杂,光学均匀性好。由于受掺杂离子在基质中分凝系数的限制(如:Nd3+离子在YAG晶体中的分凝系数仅0.18),采用熔体生长技术很难实现高浓度掺杂,且容易在径向形成浓度梯度,并形成应变花纹。而陶瓷材料由于不受分凝效应的限制,可以实现高浓度、均匀掺杂。
(5)可制备出多层和多功能的激光透明陶瓷。陶瓷制备技术可以把不同组分、不同功能的材料结合在一起,为激光系统设计提供了更大的自由度。如将Nd:YAG和Cr4+:YAG复合在一起构成被动调Q开关,甚至将调Q和Raman激光相结合,而这对单晶材料而言几乎是不可能的。也可在同一块激光透明陶瓷上产生自调Q激光输出,实现LD泵浦固体调Q激光器的高效率、高功率、集成化和小型化。
同激光玻璃材料(以钕玻璃为例)相比,透明陶瓷激光材料(以Nd:YAG透明陶瓷为例)的热导率高,有利于热量的散发;熔点高,可以承受更高的辐射功率;单色性好;可以实现连续的激光输出。
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