激光(Laser),是一種自然界原本不存在的,因受激而發(fā)出的,具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。它具有普通光完全不具備的四大特性:方向性好、亮度高、單色性好、相干性好,使其在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中都有著大量的應(yīng)用。
激光技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向是高平均功率、高峰值功率的固體激光器,而固體激光器的核心是固體激光工作物質(zhì)。目前常用的固體激光基質(zhì)材料主要有三種:玻璃、單晶和陶瓷,其中“陶瓷”更受高功率激光器的青睞。這是因?yàn)楦吖β蕰?huì)產(chǎn)生熱梯度,而熱梯度又會(huì)導(dǎo)致光束畸變或熱雙折射,從而影響激光束的質(zhì)量,因此有著低熱膨脹系數(shù)、低折射率的陶瓷材料是非常理想的激光工作物質(zhì)。
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其實(shí)在過去,一些高性能、組分較復(fù)雜的陶瓷是無法在激光技術(shù)中得到應(yīng)用的,而且會(huì)因?yàn)橄⊥两饘僭谔沾桑ㄌ貏e是摻雜陶瓷)中的組成不同、和坩堝的相互作用、相變和溶解性差等問題使其他應(yīng)用都會(huì)受到影響。不過這些都是過去了,如今加工技術(shù)的進(jìn)步提供了多種可行的透明陶瓷合成方法,制備的陶瓷材料表面呈單晶狀,原子水平上呈多晶,晶界干凈、微薄,沒有氣孔,沒有雜質(zhì),陶瓷高度透明,非常適合產(chǎn)生激光束。而且還可以摻雜不同的稀土元素,制成各種復(fù)雜的形狀,大大增加了其實(shí)用性。
①制備時(shí)間短,燒結(jié)裝置無需貴金屬材料,燒結(jié)無需在高純保護(hù)性氣氛下進(jìn)行,制備成本低;
②可以制備大尺寸,形狀復(fù)雜的材料;
③陶瓷中摻雜粒子濃度高,從整體上看摻雜粒子的分布均勻;
④陶瓷燒結(jié)的溫度比晶體的熔點(diǎn)低許多,制備出的陶瓷其組份偏離小;
⑤陶瓷能夠做成多層材料進(jìn)行燒結(jié),有可能發(fā)展出多功能陶瓷。
相比之下,玻璃基質(zhì)雖然能得到大尺寸樣品,但其熱導(dǎo)率太低,很難實(shí)現(xiàn)大功率激光器;單晶的熱導(dǎo)率要比玻璃高,但是單晶生長周期長,成本昂貴,很難獲得高品質(zhì)、大尺寸的晶體。
激光陶瓷的制備是在一定的溫度和環(huán)境氣氛下將納米級(jí)的粉體燒結(jié),使粉體顆粒凝結(jié)變成晶粒結(jié)合體,由多孔體變成致密體。在陶瓷中,激活離子隨機(jī)分布在晶粒的內(nèi)部與表面,沒有明顯的偏聚現(xiàn)象,激活離子受到的晶場作用、激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、激活離子的電子能級(jí)躍起等類似于晶體中的情況。有鑒于此,對(duì)應(yīng)于晶體分類,激光陶瓷的分類大致可以分為:氧化物陶瓷、氟化物陶瓷(包括Ⅱ-Ⅵ族化合物陶瓷)、金屬酸化物陶瓷等三類。
氧化物陶瓷類似于晶體,其硬度、脆性等機(jī)械性能好,熱傳導(dǎo)率高,化學(xué)性能穩(wěn)定,適合于稀土離子(Ln3+)和過渡金屬離子(TM3+、TM4+)摻雜,是非常重要的基質(zhì)材料。晶粒具有立方結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷中,典型代表是人工石榴石和一些倍半氧化物。人工石榴石包括釔鋁石榴石(Y3Al5O12→YAG)、釔鈧鋁石榴石(Y3ScAl4O12→YSAG)和釓鎵石榴石(Gd3Ga5O12→GGG)等,在前兩種基質(zhì)中已摻雜了Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+、Cr4+等離子,并實(shí)現(xiàn)了激光振蕩,摻這些離子的YAG陶瓷目前也已獲得了商業(yè)應(yīng)用。立方結(jié)構(gòu)的倍半氧化物陶瓷有Y2O3、Lu2O3、Sc2O3、YGdO3等,它們是一些難以進(jìn)行單晶生長的高熔點(diǎn)激光陶瓷,在這些基質(zhì)中已摻雜了Nd3+或Yb3+離子并實(shí)現(xiàn)了激光振蕩,這些激光陶瓷在物理化學(xué)性能、激光性能等方面,有表現(xiàn)優(yōu)于YAG陶瓷的地方,在高功率激光和超短脈沖應(yīng)用上有很大的潛力。
迄今已報(bào)道的氟化物激光陶瓷還只有摻鏑的氟化鈣(Dy2+:CaF2),激光波長是2.36μm,它也是最早研究的激光陶瓷。Ⅱ-Ⅵ族化合物激光陶瓷目前也只有摻鉻的硒化鋅(Cr2+:ZnSe)被報(bào)道,它在中紅外有一個(gè)寬的可調(diào)諧波段(2000~3100nm范圍),未來在高分辨率光譜、醫(yī)療、激光雷達(dá)、光參量振蕩器OPO中有重要應(yīng)用。對(duì)金屬酸化物激光陶瓷的研究還沒見報(bào)道。
但無論怎么說,科技一直在進(jìn)步,相信隨著激光陶瓷的研究范圍的擴(kuò)大與深入,一定會(huì)不斷有比前人更好的激光陶瓷材料出世,最終使固體激光器得到更加廣泛的應(yīng)用。
資料來源:
激光陶瓷———固體激光工作物質(zhì)探索的新熱點(diǎn),劉頌豪。
國內(nèi)外透明激光陶瓷的研究現(xiàn)狀,李先學(xué),邱國彪,羅小銘,蘇士杰,陳義祥。
透明激光陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢分析,陳晶,楊付,高憲娥,周志鵬。
Whatare Ceramic Laser Materials and How Have they Developed,LiamCritchley.
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