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为什么陶瓷会被用作激光材料?

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激光(Laser),是一种自然界原本不存在的,因受激而发出的,具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。它具有普通光完全不具备的四大特性:方向性好、亮度高、单色性好、相干性好,使其在各个技术领域中都有着大量的应用。

激光技术的一个重要发展方向是高平均功率、高峰值功率的固体激光器,而固体激光器的核心是固体激光工作物质。目前常用的固体激光基质材料主要有三种:玻璃、单晶和陶瓷,其中“陶瓷”更受高功率激光器的青睐。这是因为高功率会产生热梯度,而热梯度又会导致光束畸变或热双折射,从而影响激光束的质量,因此有着低热膨胀系数、低折射率的陶瓷材料是非常理想的激光工作物质。


其实在过去,一些高性能、组分较复杂的陶瓷是无法在激光技术中得到应用的,而且会因为稀土金属在陶瓷(特别是掺杂陶瓷)中的组成不同、和坩埚的相互作用、相变和溶解性差等问题使其他应用都会受到影响。不过这些都是过去了,如今加工技术的进步提供了多种可行的透明陶瓷合成方法,制备的陶瓷材料表面呈单晶状,原子水平上呈多晶,晶界干净、微薄,没有气孔,没有杂质,陶瓷高度透明,非常适合产生激光束。而且还可以掺杂不同的稀土元素,制成各种复杂的形状,大大增加了其实用性。

综合看来,目前激光陶瓷主要有如下的优点:

①制备时间短,烧结装置无需贵金属材料,烧结无需在高纯保护性气氛下进行,制备成本低;

②可以制备大尺寸,形状复杂的材料;

③陶瓷中掺杂粒子浓度高,从整体上看掺杂粒子的分布均匀;

④陶瓷烧结的温度比晶体的熔点低许多,制备出的陶瓷其组份偏离小;

⑤陶瓷能够做成多层材料进行烧结,有可能发展出多功能陶瓷。

相比之下,玻璃基质虽然能得到大尺寸样品,但其热导率太低,很难实现大功率激光器;单晶的热导率要比玻璃高,但是单晶生长周期长,成本昂贵,很难获得高品质、大尺寸的晶体。

激光陶瓷的种类都有哪些?

激光陶瓷的制备是在一定的温度和环境气氛下将纳米级的粉体烧结,使粉体颗粒凝结变成晶粒结合体,由多孔体变成致密体。在陶瓷中,激活离子随机分布在晶粒的内部与表面,没有明显的偏聚现象,激活离子受到的晶场作用、激活离子的能级结构、激活离子的电子能级跃起等类似于晶体中的情况。有鉴于此,对应于晶体分类,激光陶瓷的分类大致可以分为:氧化物陶瓷、氟化物陶瓷(包括Ⅱ-Ⅵ族化合物陶瓷)、金属酸化物陶瓷等三类。

美国Lawrence Livermore国家实验室的研究人员利用日本Konoshima化学公司生产的Nd:YA G透明激光陶瓷板条研制出高功率全固态热容激光器氧化物陶瓷类似于晶体,其硬度、脆性等机械性能好,热传导率高,化学性能稳定,适合于稀土离子和过渡金属离子掺杂,是非常重要的基质材料。晶粒具有立方结构的氧化物陶瓷中,典型代表是人工石榴石和一些倍半氧化物。人工石榴石包括钇铝石榴石、钇钪铝石榴石和钆镓石榴石等,在前两种基质中已掺杂了Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+、Cr4+等离子,并实现了激光振荡,掺这些离子的YAG陶瓷目前也已获得了商业应用。立方结构的倍半氧化物陶瓷有Y2O3、Lu2O3、Sc2O3、YGdO3等,它们是一些难以进行单晶生长的高熔点激光陶瓷,在这些基质中已掺杂了Nd3+或Yb3+离子并实现了激光振荡,这些激光陶瓷在物理化学性能、激光性能等方面,有表现优于YAG陶瓷的地方,在高功率激光和超短脉冲应用上有很大的潜力。迄今已报道的氟化物激光陶瓷还只有掺镝的氟化钙,激光波长是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掺铬的硒化锌被报道,它在中红外有一个宽的可调谐波段(2000~3100nm范围),未来在高分辨率光谱、医疗、激光雷达、光参量振荡器OPO中有重要应用。金属酸化物激光陶瓷还没有被研究报道。

科技一直在进步,相信随着激光陶瓷的研究范围的扩大与深入,一定会不断有比前人更好的激光陶瓷材料出世,最终使固体激光器得到更加广泛的应用。壹晨激光也会在这个领域越做越好,永远做工业激光焊接应用领域最权威的制造商!