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五分钟光学| 江苏师范大学沈德元教授谈透明陶瓷的优势及应用潜力
发布：RuiChaoDong阅读：3244时间：2020-8-7 16:50:51
本期嘉宾：江苏师范大学沈德元教授
以下文字根据录音整理：大家好！我是江苏师范大学的沈德元，非常高兴有机会跟大家分享一下陶瓷激光的相关信息。
我们知道，产生激光要有激光工作物质，掺入激光激活离子的晶体材料（单晶、多晶）和玻璃是常用的激光工作物质。
陶瓷激光顾名思义就是以掺杂激活离子的透明陶瓷作为增益介质的激光器。陶瓷我们并不陌生，“激光陶瓷”是指光学性质与单晶几乎相同的透明陶瓷，是一种多晶结构。要获得高质量光学陶瓷，通过工艺控制减少气孔、杂质、非主晶相、晶格缺陷和晶界散射等（参数）是关键。
透明陶瓷具有与单晶相似的物化性质，在热导率、膨胀系数、吸收发射光谱、荧光寿命等方面，与同组分的单晶几乎一致。
那么以透明陶瓷作为激光工作物质（相对于单晶）有哪些优势呢？
首先，透明陶瓷制备周期短，容易制备出大尺寸、形状可设计。第二，稀土离子掺杂浓度（可）比较高，并且光学均匀性好，机械性能比单晶也有一定的提高。第三，更主要的是陶瓷的烧结温度一般低于单晶生长的熔融温度，传统方法难以生长的晶体，如倍半氧化物（熔点温度2400度以上），通过陶瓷制备工艺，可以获得非常高质量的多晶陶瓷。另外，可制备复合结构、多功能陶瓷激光增益介质，从而有利于提高激光的输出性能。
激光陶瓷为激光技术带来了新的亮丽风景线以及发展潜力，我主要从三个方面说：第一，基于大尺寸和均匀性方面的优势。
美国Textron公司采用Nd:YAG板条的高功率激光系统，已经实现了超过100 kW平均功率、波长 1 μm的输出。
另外是薄片激光器，同样是基于增益介质的大尺寸。薄片激光器（优势）主要集中在两个方面：一是超短超强脉冲激光，苏黎世联邦理工大学U.Keller研究组的振荡器已经获得了超过350 W平均功率，脉冲宽度在940 fs左右的激光输出；放大器方面目前有两个比较有影响的工作，一是德国通快公司报道的1.9 kW平均输出功率，单脉冲能量达到10 mJ，脉宽在1 ps左右；另一个是慕尼黑大学的碟片放大器，获得平均功率1 kW，单脉冲能量达200 mJ，脉宽也是1 ps。
这是超短超强的短脉冲激光发展情况，还有一类是大能量、纳秒级激光，陶瓷同样大有作为。捷克科学院物理学研究所2016年基于Yb:YAG激光陶瓷薄片的高能激光系统获得了平均输出功率超过1 kW、单脉冲能量105 J、脉冲宽度10 nJ输出。
第二，基于陶瓷制备优势的一些新型激光材料。
首先是倍半氧化物（Y2O3、Lu2O3、Sc2O3）类，倍半氧化物熔点高，物化性能优异，声子能量相对较低，有很多优势。我们课题组和南洋理工大学合作生产的倍半氧化物Ho:Y2O3透明陶瓷，在1931 nm Tm光纤激光抽运，未镀膜情况下，已经获得了113.6 W/2117 nm的激光输出，目前是国际最高输出结果，斜效率达到55.6%。激光器功率输出的线性非常好，仅受限于（实验中）最高泵浦功率的大小，未来有很大的提升空间，这类波长的激光器在瓦森纳协定中（对我们国家）的禁运标准是1W。
其次，铒（Er）掺杂也是非常有优势的一个发展方向，3 μm铒激光器有很多应用。这类激光器过去主要靠Er:YAG等材料来产生，但是在YAG中掺杂离子浓度要求很高-这主要是由于铒离子在这一波段下能级寿命较长，（为克服这种能级阻塞效应）YAG中的掺杂浓度甚至高达50%。这就产生高热，几乎难以获得高功率输出。而在铒掺杂的倍半氧化物里，5%~7%的低掺杂浓度就已经能够获得非常理想的激光输出。所以，从这个角度讲，掺铒的倍半氧化物使得3 μm铒激光器直接获得百瓦甚至千瓦激光输出成为可能。
还有一类就是掺铁的硒化锌，ZnSe晶体也非常难生长，美国Alfred大学和中国工程物理研究院合作，通过共沉淀法合成粉末、放电等离子体烧结工艺成功制备出透明陶瓷，并首次实现3 μm激光输出。
第三，基于陶瓷复合结构制备优势。
这部分结果（目前还）不多，主要是讲讲陶瓷激光的发展潜力。目前国际上已经通过3D打印成型技术制备了梯度掺杂的陶瓷激光增益材料，随着先进成型技术的发展，结合内部结构调控手段的应用，使得未来基于陶瓷材料的光子晶体加上掺杂浓度分布控制成为可能。
总之，透明陶瓷作为激光增益介质，因其一系列的优势，为高功率、大脉冲能量激光技术的发展提供了新的契机。3D打印等先进成型技术的发展，加上飞秒直写等调控手段的应用，为复合结构激光陶瓷的制备以及激光系统设计提供了更大的自由度、更多的可能性和更广阔的发展前景。谢谢大家！
专家简介：
沈德元，江苏中红外激光应用技术产业研究院院长、江苏省先进激光技术与新兴产业协同创新中心主任、江苏师范大学物电学院 教授，中科院海外引进人才，江苏省“创新团队计划”领军人才。1996至2000年在日本电气通信大学激光研究中心从事博士后研究；2000至2002年任新加坡南洋理工大学电气电子工程学院研究员；2002至2008年任英国南安普顿大学光电研究中心(ORC)研究员和高级研究员。主要从事高功率激光器及相关技术、半导体泵浦固体激光技术及非线性光学方面的研究工作。现任《光学学报》编委、江苏省光学学会常务理事、中国光学学会激光专业委员会委员、中国宇航学会光电技术专业委员会委员。
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