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激光陶瓷的发展历史-LCS 2008 (3)

已有 7316 次阅读 2008-11-1 15:30 |个人分类:透明陶瓷

早在20世纪60年代,科学家已经提出高纯各向同性的致密陶瓷具有与单晶相当的光学性质。1966年,E. Carnall等采用真空热压烧结技术制备了光学透明的Dy:CaF2陶瓷,并且在液氮温度下实现了激光振荡,其激光阈值与单晶相似。1972年,R. C. Anderson等开发出了NDY (Nd doped Yttralox)陶瓷激光器。随后的两年中,C. Greskovich用传统的陶瓷烧结方法制备了更高质量的NDY透明陶瓷,其激光阈值和斜率效率与当时的钕玻璃相近。在随后的20余年中,陶瓷激光材料并没有受到关注,因为其性能不及单晶和玻璃基质材料。在早期的Nd:YAG透明陶瓷样品中,缺陷浓度高(特别是微气孔),在短波区有很强的散射损耗。这样也就不难理解为何Nd:YAG透明陶瓷在激光振荡区(1064nm)有很高的透过率,但仍未能实现激光输出。因为该样品在短波区的透过率不高,光吸收系数较大,亦即存在一定浓度的光散射中心,导致光学谐振腔损耗增加,并使各模式相互耦合产生新的本征模式,从而提高激光振荡阈值、降低斜率效率,以及增加光束的发散度。但在优质的光学晶体中,由于缺陷浓度低,由散射引起的总吸收系数随波长的变化不明显。1995年,激光透明陶瓷才取得突破性的进展,日本学者A. Ikesue等采用固相反应法制备出了高质量的Nd:YAG透明陶瓷,其折射率、热导率、硬度等物理性能与Nd:YAG单晶相似。同时他们研制出世界上第一台Nd:YAG陶瓷激光器,用输出功率为600mW,输出波长为808nmLD,采用端面泵浦技术泵浦1.1at%Nd:YAG透明陶瓷,其激光阈值仅比单晶稍高,斜率效率为28%,激光最大输出功率为70mW。随后A. Ikesue的研究小组系统地研究了钕离子浓度对Nd:YAG透明陶瓷光学性能的影响、Nd:YAG激光透明陶瓷中的散射中心以及Nd:YAG透明陶瓷中气孔体积对激光性能的影响。1999年,日本神岛化学公司T. Yanagitani的研究小组采用纳米技术和真空烧结方法制备了高质量的Nd:YAG透明陶瓷,其吸收、发射和荧光寿命等光学特性与单晶几乎一致。2000年,神岛化学公司和日本电气通信大学的K. Ueda的研究小组一起首次用这种方法实现了高效激光输出。基于这一技术,日本的神岛化学公司、日本电气通信大学、俄罗斯科学院的晶体研究所等联合开发出一系列二极管泵浦的高功率和高效率固体激光器,激光输出功率从31W提高到72W88W1.46 KW,光-光转化效率从14.5%提高到28.8%30%42%2005年底,美国达信公司的研究人员研制的Nd:YAG陶瓷激光器获得了5kW的功率输出,持续工作时间为10s2006年底,美国利弗莫尔国家实验室的固态热容激光器采用日本神岛化学公司提供的板条状Nd:YAG透明陶瓷实现了67kW的功率输出,持续工作时间为10s。近年来, Nd:Y2O3Nd:Lu2O3Yb:Sc2O3Yb:Y2O3Yb:Y3ScAl4O12等高质量透明陶瓷又相继被制备出来,并且实现了激光输出。

    目前,日本神岛化学公司制备的高质量Nd:YAG激光透明陶瓷在世界范围内是领先的。世界上其它国家也投入了大量的人力、物力和财力去开展这一项研究工作,并取得了一定的进展。国内研究激光透明陶瓷的单位包括中国科学院上海硅酸盐研究所、东北大学、山东大学晶体材料研究所、福建物质结构研究所、中非人工晶体研究院、四川大学、上海大学等。 



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