固體激光器已經被廣泛應用在金屬加工、醫(yī)療設備、激光打印、環(huán)境檢測和光學器件上，同時它也是下一代激光核聚變的點火裝置。單晶和玻璃是傳統(tǒng)意義上的固體激光增益介質，早在1960年，梅曼（Maiman）制成了世界上第一臺激光器——紅寶石激光。自從1964年Nd:YAG單晶在室溫下實現(xiàn)連續(xù)激光輸出后，使用單晶作為激光增益介質的固體激光不斷向前發(fā)展，然而傳統(tǒng)的單晶激光增益介質在技術和生產成本上仍有很多問題有待解決。

 最近，陶瓷激光技術由于具有單晶激光不可比擬的優(yōu)點而成為了一種新型的，具有潛力的激光材料。首先，激光陶瓷能夠做到大尺寸制備并實現(xiàn)高功率激光輸出。其次，能夠作為高光束質量光纖激光的增益介質和復雜結構的增益介質，而復合結構則是單晶和玻璃制備技術難以實現(xiàn)的。激光陶瓷還能實現(xiàn)激活離子的高濃度、均勻摻雜。同時，陶瓷制備技術適合開發(fā)新型的激光材料，如倍半氧化物體系，這些材料用傳統(tǒng)的單晶生長技術很難制備。此外，采用陶瓷燒結技術能夠制備新型結構的單晶，這種源于陶瓷的單晶具有很高的抗激光輻照能力，很長的使用壽命和非常高的激光功率密度。這種新型的激光增益介質不能用傳統(tǒng)的單晶生長技術來制備，并且很可能具有新的激光性能。

早在1964年，Dy:CaF₂陶瓷首次在低溫下用做激光增益介質。20世紀70年代，Nd:Y₂O₃-ThO₂陶瓷實現(xiàn)了脈沖激光輸出。雖然這代表了陶瓷激光技術的開端，但是低下的激光振蕩效率并沒有引起材料和激光科學家的關注。在20世紀80年代，開發(fā)出來的半透明YAG陶瓷由于光學質量不高而難以現(xiàn)實高效激光輸出。20世紀90年代早期，Nd:YAG陶瓷在日本成功實現(xiàn)了連續(xù)激光輸出，然而這個結果并沒有被廣泛關注直到1995年A.Ikesue博士在美國陶瓷學會會刊上報道結果。從此以后，激光陶瓷領域迅速發(fā)展，不光在日本，中國、美國和歐洲很多國家的科研工作者都投身到激光陶瓷的研究中去，大家關注的不僅是激光陶瓷的制備技術，還包括未來固體激光技術的發(fā)展。#p#分頁標題#e#

高效激光振蕩

如圖1a所示，陶瓷是由很多取向無序的微晶所組成。半透明陶瓷的制備始于20世紀50年代，但是具有高效激光振蕩的透明陶瓷卻是從20世紀90年代才出現(xiàn)的。理由很簡單，半透明陶瓷中包含很多散射中心，如晶界相、殘余氣孔和第二相，這些散射中心能夠顯著的引起散射損失，并最終使得在半透明陶瓷增益介質不能實現(xiàn)激光振蕩。1995年A. Ikesue博士在美陶中報道的Nd:YAG陶瓷具有與單晶相近的激光性能。文中報道的Nd:YAG透明陶瓷的顯微結構與傳統(tǒng)的半透明陶瓷有明顯的區(qū)別。從圖1b和圖1c中可以看出，這些材料中沒有雙折射和折射率的變化，表明透明陶瓷的光學質量很高。在圖1d和圖1e的微觀照片中可以看出，沒有殘余氣孔、第二相和光學不均勻區(qū)域。從圖1f和圖1g可以發(fā)現(xiàn)，原子尺度的晶界非常干凈，在晶粒內部的點缺陷、線缺陷和位錯缺陷已經控制在很小的程度。

這些結果表明，成型技術對獲得陶瓷“完美”顯微結構是至關重要。一旦掌握了制備具有“完美#p#分頁標題#e#”光學均勻性和顯微結構陶瓷的技術，發(fā)展超低散射損失陶瓷的道路就會變得平坦，具有跟單晶激光性能相媲美的高效陶瓷激光增益介質也能順利開發(fā)出來。然而，由于多晶陶瓷固有的物理特性，即便是具有理想顯微結構的陶瓷，由于晶界的存在而對激光的高振蕩效率、高光束質量會有影響。

Figure 2 Laser oscillation using optical-grade Nd:YAG ceramics. a, Experimenta set-up for c.w. and quasi-c.w. laser oscillation performed in 1991 using optical-grade Nd:YAG ceramics. An Ar-ion laser was used for side-pumping and a laser diode with an operation wavelength of 808 nm was used for end-pumping. b, C ontinuous-wave laser performance achieved in 1995 (ref. 39). Comparison between polycrystalline ceramics (pale blue) and commercial single crystal (red) shows that the laser performance of polycrystalline ceramics is equivalent to that of single crystals. Lines show best fit to the experimental results. Reprinted with permission from ref. 39. c, Demonstration of blue and green laser oscillation using Nd:YAG ceramics. The grain boundaries in the ceramics do not affect the laser oscillation mode or short-wavelength laser oscillation. Reprinted with permission from ref. 71.

圖2a是1991年首次用光學級別的Nd:YAG陶瓷實現(xiàn)連續(xù)和準連續(xù)激光輸出的實驗裝置，分別用808nm的Ar離子激光和激光二極管（LD)用側面和端面方式泵浦。為了比較單晶和陶瓷的激光性能，用激光二極管端面泵浦這兩種激光增益介質。結果表明，陶瓷的激光性能與單晶幾乎相同。目前，我們使用Nd:YAG陶瓷作為激光增益介質，激光輸出的斜率效率高于60%。陶瓷激光增益介質的橫模是高斯分布的單模，而縱模也可以形成單模。陶瓷的晶界處有位錯（晶粒取向不同）存在，晶界處的散射——也就是瑞利散射對陶瓷激光增益介質的影響是致命的。陶瓷激光增益介質產生的單模激光證明晶界不會影響相干光束的產生和放大。其他研究團隊也報道了使用陶瓷激光增益介質實現(xiàn)了高效激光輸出。圖2c是使用KTP和KN非線性單晶二次諧波產生器生成的藍綠陶瓷激光，這些結果也表明陶瓷晶界上的散射并不會影響激光模式和短波激光振蕩。#p#分頁標題#e#

陶瓷技術的現(xiàn)狀

單晶生長技術是一個把原料先熔化然后重新固化的過程，這種方法制備的材料種類是非常有限的。由于需要把原料加熱到熔點以上，單晶生長技術存在一些問題需要解決。譬如在單晶生長的過程中，激光激活離子在固液界面上的熔解和偏析都會引起熱量的波動。熔融生長制備的單晶通常存在核心、條紋、小面和光學畸等，這些缺陷會引起光學不均勻。然后提升熔融生長單晶的光學質量幾乎不太可能。此外，熔融工藝過程中，為了防止斷電和地震的突發(fā)事件，需要建立備用系統(tǒng)。這樣同時會增加能耗和價格，并降低產量。1995年，A.Ikesue博士使用多晶Nd:YAG陶瓷作為激光增益介質并開發(fā)了陶瓷激光，這證明陶瓷材料能構克服熔融生長單晶技術在技術和經濟上的局限。1997年，使用高濃度摻雜Nd:YAG陶瓷作為微片激光介質實現(xiàn)了單模激光振蕩，而使用單晶技術不容易實現(xiàn)高濃度摻雜。接著Nd:YSAG和Yb:YSAG陶瓷實現(xiàn)了超短（皮秒和飛秒)脈沖輸出。最近幾年，陸續(xù)有一些有關大功率激光輸出的有趣報道。2001年，使用Nd:YAG陶瓷棒成功實現(xiàn)了1.4kW的連續(xù)激光輸出，然后激光效率比相應的單晶要低15%。神島化學公司使用大尺寸的Nd:YAG陶瓷（100mm×100mm×20mm）實現(xiàn)了67kW的準連續(xù)激光輸出。 

我們必須認識到高功率激光服役條件下，陶瓷的晶界處會引起破壞。至今仍然沒有報道關注激光陶瓷的使用壽命，但是總的來說，陶瓷技術并不會限制激光增益介質的尺寸。因此大尺寸對發(fā)展高功率激光是一個非常重要的優(yōu)勢。雖然陶瓷中的晶界被認為是一種結構上的缺陷，但是這種缺陷卻能夠顯著地提高激光材料的斷裂任性和抗熱震性。#p#分頁標題#e#

新型激光增益介質和功能化

    使用陶瓷技術，可以在遠低于熔點的溫度下短時間燒結高熔點的固體顆粒。倍半氧化物（如Y₂O_3、Sc₂O₃和Lu₂O₃）是一種有前景的激光材料，但是它們的熔點非常高（2400攝氏度）并且相變點低于熔點問題。采用陶瓷技術可以制備這種體系的激光材料，由于倍半氧化物的高熱導和大尺寸制備的可行性，這些體系已經用來開發(fā)像鈦寶石那樣的高功率、超短脈沖激光。關于倍半氧化物陶瓷激光的結果已有報道，例如用熱等靜壓工藝合成了Nd：HfO₂-Y₂O₃透明陶瓷；用Er:Sc₂O₃透明陶瓷實現(xiàn)了斜率效率高達77%的激光輸出；通過控制Nd:Y₂O₃的對稱性，開發(fā)了5nm的寬幅激光，而通常的Nd:Y₂O₃激光的帶寬只有1nm?；谶@個法則，倍半氧化物透明陶瓷在開發(fā)可調諧和超短脈沖激光具有很大的潛力。用克爾棱鏡鎖模技術，Yb:Lu₂O₃和Yb:Sc₂O₃陶瓷激光可以獲得短脈沖激光振蕩，其中Yb:Sc₂O₃陶瓷激光的脈沖寬度為92fs，平均輸出功率為850mW。

技術目標

    #p#分頁標題#e#傳統(tǒng)熔融生長單晶制備技術有關的其中一個重要問題是很難在分凝系數小的基質材料中實現(xiàn)激活離子的高濃度均勻摻雜。例如在YAG基質中Nd離子的分凝系數為0.2，所以只有大約1.0at%的Nd離子能夠在基質中均勻摻雜。即使高濃度摻雜的Nd：YAG單晶能夠制備，其光學質量也不是很高。生長的晶體中可能包含小面并且在棒的長度方向存在濃度梯度。這些單晶生長技術上的問題到目前仍沒有得到解決。

  Fig. 6 The growth of SSCG single crystal and its laser performance

        2005年，采用陶瓷燒結技術，Nd：YAG單晶、Nd：YAG單晶微球和復合結構單晶已經成功制備。圖6a是采用固相晶體生長技術制備單晶的示意圖。具有相對比較小晶粒尺寸的Nd：YAG陶瓷和Nd：YAG籽晶鍵合在一起，通過高溫熱處理方式，陶瓷中的小晶粒被“吸收#p#分頁標題#e#”到籽晶中去。在固相晶體生長（SSCG)技術中，當單晶的表面能遠小于陶瓷小晶粒的表面能時就會發(fā)生連續(xù)的晶粒生長，多晶陶瓷便會轉變成單晶材料。用固相晶體生長（SSCG)技術制備的高濃度摻雜Nd：YAG的顯微結構和外觀圖如圖6b，c所示。這種無殘余氣孔陶瓷和SSCG單晶（組分均為2.4at%Nd:YAG)的激光性能如圖6d所示。雖然SSCG單晶的激光損傷閾值沒有測試，但是由于晶界的減少激光轉化效率得到了提高。用燒結技術制備的SSCG單晶沒有傳統(tǒng)熔融法制備單晶的光學不均勻區(qū)域（如核心和小面等）。在多晶陶瓷中，大量的缺陷存在于晶界處，這些缺陷在超高功率和超長時間激光服役條件下會引起損傷。然而用燒結方法制備的SSCG單晶適合用于制備高性能激光增益介質，其性能超越多晶陶瓷激光增益介質和用傳統(tǒng)晶體生長技術制備的單晶，如高摻雜Nd：YAG單晶、復合結構單晶和單晶微球。

       目前制備的激光陶瓷的晶體結構主要局限在立方晶系上，然而單晶的燒結制備技術不僅適合于立方結構激光增益介質，同樣也適用于六方和四方晶系的激光增益介質。用燒結技術制備單晶始于單晶鐵酸鹽的制備，但是激光級別的單晶一直沒有獲得?，F(xiàn)在，SSCG技術在制備大尺寸單晶、復合結構單晶和直徑為數十微米球形（用于回音廊模激光）。另一個非常重要的單晶制備的關鍵是陶瓷具有納米結構。例如，具有六方晶系的氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸一般是從幾個微米到幾十微米。這種氧化鋁陶瓷直線透過率低并且具有雙折射，所以不能用于激光增益介質。然而，如果晶粒尺寸遠小于激光振蕩波長的納米氧化鋁陶瓷能構制備，這個納米結構的氧化鋁陶瓷將來可以用作激光基質材料。

激光陶瓷的局限性和解決方法

        盡管陶瓷技術有上述優(yōu)點，但是陶瓷技術也并不是完美的。存在的問題包括：用于開發(fā)高功率激光的大尺寸激光增益介質的制備；穩(wěn)定的激光運作；晶界的存在對激光損傷的影響；非立方結構激光增益介質的開發(fā)。制備陶瓷所使用的原料通常為亞微米和納米級別的粉體，所以這些粉體的處理十分困難。特別在制備陶瓷激光增益介質的工藝中，具有非常良好堆積性能的粉體制備是關鍵。粉體堆積不均勻會在燒結體中產生殘余氣孔（散射中心）。然而，制備沒有任何不均勻的粉體是非常困難的。因此接下來激光陶瓷制備技術革新主要集中在具有玻璃激光增益介質尺寸的陶瓷激光增益介質的制備，要解決這個問題有兩個方法，一個是建立一套精確的陶瓷成型工藝，另一個是把小尺寸激光增益介質鍵合成大尺寸。陶瓷是由不同取向的晶粒所組成，因此雜質容易聚集，通常在晶界處缺陷的密度高很多。當用光學#p#分頁標題#e#X射線斷層攝影術觀察陶瓷的晶界，發(fā)現(xiàn)在晶界處存在大量的光學散射中心。為了提高激光轉化效率、減少光學損耗，晶界處的光學散射必須完全消除。非立方結構的晶體具有雙折射，這在陶瓷中會引起強烈的光學損耗。為了滿足客戶的需求和擴大客戶的選擇，納米結構陶瓷制備技術和SSCG單晶制備技術對開發(fā)有前景的激光材料是非常重要的。

展望

        在全球范圍內開發(fā)陶瓷激光的歷史仍十分短，不過幾十年。源于日本的激光陶瓷技術在世界范圍內盛行，但在美國和中國也已有關于陶瓷激光增益介質成功實現(xiàn)激光振蕩的報道。同時在歐洲和亞洲其它國家，陶瓷激光技術也將取得成功。從根本上講，陶瓷激光不僅僅是傳統(tǒng)單晶激光的潛在替代品。雖然到目前為止，這個領域仍處于研發(fā)階段，但傳統(tǒng)單晶技術不能實現(xiàn)的激光性能已經在激光陶瓷上實現(xiàn)。熔融生長的單晶材料花費了今20年才實現(xiàn)商業(yè)化，與這個情況相似，陶瓷激光實現(xiàn)商業(yè)化仍然需要一些時日。

  陶瓷激光以后的應用可能包括：環(huán)境檢測、高速金屬加工、手術和診斷用醫(yī)療設備、激光導航系統(tǒng)、投影和激光電視用RGB光源、激光驅動核巨變等。事實上，其中一些應用已經處于產品研發(fā)階段。在不久的將來，陶瓷技術有望對各種無源光學器件（如紅外視窗、透鏡、棱鏡、非線性光學部件、閃爍體等）產生技術革新。此外，透明陶瓷的使用將會延伸到壓電和熱電材料和工程陶瓷領域。在傳統(tǒng)陶瓷中的散射中心數量已經影響了光學期間的應用，因此開發(fā)能獲得顯微結構完美（接近理論極限）的陶瓷技術變得十分迫切。一旦陶瓷能夠獲得完美的顯微結構，這種制備技術能夠延伸到其它技術領域。