固體激光器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在金屬加工、醫(yī)療設(shè)備、激光打印、環(huán)境檢測(cè)和光學(xué)器件上，同時(shí)它也是下一代激光核聚變的點(diǎn)火裝置。單晶和玻璃是傳統(tǒng)意義上的固體激光增益介質(zhì)，早在1960年，梅曼（Maiman）制成了世界上第一臺(tái)激光器——紅寶石激光。自從1964年Nd:YAG單晶在室溫下實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光輸出后，使用單晶作為激光增益介質(zhì)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(zhì)在技術(shù)和生產(chǎn)成本上仍有很多問(wèn)題有待解決。

 最近，陶瓷激光技術(shù)由于具有單晶激光不可比擬的優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。其次，能夠作為高光束質(zhì)量光纖激光的增益介質(zhì)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增益介質(zhì)，而復(fù)合結(jié)構(gòu)則是單晶和玻璃制備技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。激光陶瓷還能實(shí)現(xiàn)激活離子的高濃度、均勻摻雜。同時(shí)，陶瓷制備技術(shù)適合開(kāi)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(zhǎng)技術(shù)很難制備。此外，采用陶瓷燒結(jié)技術(shù)能夠制備新型結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(zhì)不能用傳統(tǒng)的單晶生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)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(zhì)。20世紀(jì)70年代，Nd:Y₂O₃-ThO₂陶瓷實(shí)現(xiàn)了脈沖激光輸出。雖然這代表了陶瓷激光技術(shù)的開(kāi)端，但是低下的激光振蕩效率并沒(méi)有引起材料和激光科學(xué)家的關(guān)注。在20世紀(jì)80年代，開(kāi)發(fā)出來(lái)的半透明YAG陶瓷由于光學(xué)質(zhì)量不高而難以現(xiàn)實(shí)高效激光輸出。20世紀(jì)90年代早期，Nd:YAG陶瓷在日本成功實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激光輸出，然而這個(gè)結(jié)果并沒(méi)有被廣泛關(guān)注直到1995年A.Ikesue博士在美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)會(huì)刊上報(bào)道結(jié)果。從此以后，激光陶瓷領(lǐng)域迅速發(fā)展，不光在日本，中國(guó)、美國(guó)和歐洲很多國(guó)家的科研工作者都投身到激光陶瓷的研究中去，大家關(guān)注的不僅是激光陶瓷的制備技術(shù)，還包括未來(lái)固體激光技術(shù)的發(fā)展。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

高效激光振蕩

如圖1a所示，陶瓷是由很多取向無(wú)序的微晶所組成。半透明陶瓷的制備始于20世紀(jì)50年代，但是具有高效激光振蕩的透明陶瓷卻是從20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的。理由很簡(jiǎn)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(zhì)不能實(shí)現(xiàn)激光振蕩。1995年A. Ikesue博士在美陶中報(bào)道的Nd:YAG陶瓷具有與單晶相近的激光性能。文中報(bào)道的Nd:YAG透明陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)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(méi)有雙折射和折射率的變化，表明透明陶瓷的光學(xué)質(zhì)量很高。在圖1d和圖1e的微觀照片中可以看出，沒(méi)有殘余氣孔、第二相和光學(xué)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(nèi)部的點(diǎn)缺陷、線缺陷和位錯(cuò)缺陷已經(jīng)控制在很小的程度。

這些結(jié)果表明，成型技術(shù)對(duì)獲得陶瓷“完美”顯微結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要。一旦掌握了制備具有“完美#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#”光學(xué)均勻性和顯微結(jié)構(gòu)陶瓷的技術(shù)，發(fā)展超低散射損失陶瓷的道路就會(huì)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(zhì)也能順利開(kāi)發(fā)出來(lái)。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(jié)構(gòu)的陶瓷，由于晶界的存在而對(duì)激光的高振蕩效率、高光束質(zhì)量會(huì)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(xué)級(jí)別的Nd:YAG陶瓷實(shí)現(xiàn)連續(xù)和準(zhǔn)連續(xù)激光輸出的實(shí)驗(yàn)裝置，分別用808nm的Ar離子激光和激光二極管（LD)用側(cè)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(zhì)。結(jié)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(zhì)，激光輸出的斜率效率高于60%。陶瓷激光增益介質(zhì)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(cuò)（晶粒取向不同）存在，晶界處的散射——也就是瑞利散射對(duì)陶瓷激光增益介質(zhì)的影響是致命的。陶瓷激光增益介質(zhì)產(chǎn)生的單模激光證明晶界不會(huì)影響相干光束的產(chǎn)生和放大。其他研究團(tuán)隊(duì)也報(bào)道了使用陶瓷激光增益介質(zhì)實(shí)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(chǎn)生器生成的藍(lán)綠陶瓷激光，這些結(jié)果也表明陶瓷晶界上的散射并不會(huì)影響激光模式和短波激光振蕩。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

陶瓷技術(shù)的現(xiàn)狀

單晶生長(zhǎng)技術(shù)是一個(gè)把原料先熔化然后重新固化的過(guò)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(diǎn)以上，單晶生長(zhǎng)技術(shù)存在一些問(wèn)題需要解決。譬如在單晶生長(zhǎng)的過(guò)程中，激光激活離子在固液界面上的熔解和偏析都會(huì)引起熱量的波動(dòng)。熔融生長(zhǎng)制備的單晶通常存在核心、條紋、小面和光學(xué)畸等，這些缺陷會(huì)引起光學(xué)不均勻。然后提升熔融生長(zhǎng)單晶的光學(xué)質(zhì)量幾乎不太可能。此外，熔融工藝過(guò)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(shí)會(huì)增加能耗和價(jià)格，并降低產(chǎn)量。1995年，A.Ikesue博士使用多晶Nd:YAG陶瓷作為激光增益介質(zhì)并開(kāi)發(fā)了陶瓷激光，這證明陶瓷材料能構(gòu)克服熔融生長(zhǎng)單晶技術(shù)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(zhì)實(shí)現(xiàn)了單模激光振蕩，而使用單晶技術(shù)不容易實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜。接著Nd:YSAG和Yb:YSAG陶瓷實(shí)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(guān)大功率激光輸出的有趣報(bào)道。2001年，使用Nd:YAG陶瓷棒成功實(shí)現(xiàn)了1.4kW的連續(xù)激光輸出，然后激光效率比相應(yīng)的單晶要低15%。神島化學(xué)公司使用大尺寸的Nd:YAG陶瓷（100mm×100mm×20mm）實(shí)現(xiàn)了67kW的準(zhǔn)連續(xù)激光輸出。 

我們必須認(rèn)識(shí)到高功率激光服役條件下，陶瓷的晶界處會(huì)引起破壞。至今仍然沒(méi)有報(bào)道關(guān)注激光陶瓷的使用壽命，但是總的來(lái)說(shuō)，陶瓷技術(shù)并不會(huì)限制激光增益介質(zhì)的尺寸。因此大尺寸對(duì)發(fā)展高功率激光是一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)。雖然陶瓷中的晶界被認(rèn)為是一種結(jié)構(gòu)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(yè)標(biāo)題#e#

新型激光增益介質(zhì)和功能化

    使用陶瓷技術(shù)，可以在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下短時(shí)間燒結(jié)高熔點(diǎn)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(diǎn)非常高（2400攝氏度）并且相變點(diǎn)低于熔點(diǎn)問(wèn)題。采用陶瓷技術(shù)可以制備這種體系的激光材料，由于倍半氧化物的高熱導(dǎo)和大尺寸制備的可行性，這些體系已經(jīng)用來(lái)開(kāi)發(fā)像鈦寶石那樣的高功率、超短脈沖激光。關(guān)于倍半氧化物陶瓷激光的結(jié)果已有報(bào)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(shí)現(xiàn)了斜率效率高達(dá)77%的激光輸出；通過(guò)控制Nd:Y₂O₃的對(duì)稱性，開(kāi)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(gè)法則，倍半氧化物透明陶瓷在開(kāi)發(fā)可調(diào)諧和超短脈沖激光具有很大的潛力。用克爾棱鏡鎖模技術(shù)，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(shù)目標(biāo)

    #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#傳統(tǒng)熔融生長(zhǎng)單晶制備技術(shù)有關(guān)的其中一個(gè)重要問(wèn)題是很難在分凝系數(shù)小的基質(zhì)材料中實(shí)現(xiàn)激活離子的高濃度均勻摻雜。例如在YAG基質(zhì)中Nd離子的分凝系數(shù)為0.2，所以只有大約1.0at%的Nd離子能夠在基質(zhì)中均勻摻雜。即使高濃度摻雜的Nd：YAG單晶能夠制備，其光學(xué)質(zhì)量也不是很高。生長(zhǎng)的晶體中可能包含小面并且在棒的長(zhǎng)度方向存在濃度梯度。這些單晶生長(zhǎng)技術(shù)上的問(wèn)題到目前仍沒(méi)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(jié)技術(shù)，Nd：YAG單晶、Nd：YAG單晶微球和復(fù)合結(jié)構(gòu)單晶已經(jīng)成功制備。圖6a是采用固相晶體生長(zhǎng)技術(shù)制備單晶的示意圖。具有相對(duì)比較小晶粒尺寸的Nd：YAG陶瓷和Nd：YAG籽晶鍵合在一起，通過(guò)高溫?zé)崽幚矸绞?，陶瓷中的小晶粒?/span>“吸收#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#”到籽晶中去。在固相晶體生長(zhǎng)（SSCG)技術(shù)中，當(dāng)單晶的表面能遠(yuǎn)小于陶瓷小晶粒的表面能時(shí)就會(huì)發(fā)生連續(xù)的晶粒生長(zhǎng)，多晶陶瓷便會(huì)轉(zhuǎn)變成單晶材料。用固相晶體生長(zhǎng)（SSCG)技術(shù)制備的高濃度摻雜Nd：YAG的顯微結(jié)構(gòu)和外觀圖如圖6b，c所示。這種無(wú)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(méi)有測(cè)試，但是由于晶界的減少激光轉(zhuǎn)化效率得到了提高。用燒結(jié)技術(shù)制備的SSCG單晶沒(méi)有傳統(tǒng)熔融法制備單晶的光學(xué)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(zhǎng)時(shí)間激光服役條件下會(huì)引起損傷。然而用燒結(jié)方法制備的SSCG單晶適合用于制備高性能激光增益介質(zhì)，其性能超越多晶陶瓷激光增益介質(zhì)和用傳統(tǒng)晶體生長(zhǎng)技術(shù)制備的單晶，如高摻雜Nd：YAG單晶、復(fù)合結(jié)構(gòu)單晶和單晶微球。

       目前制備的激光陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)主要局限在立方晶系上，然而單晶的燒結(jié)制備技術(shù)不僅適合于立方結(jié)構(gòu)激光增益介質(zhì)，同樣也適用于六方和四方晶系的激光增益介質(zhì)。用燒結(jié)技術(shù)制備單晶始于單晶鐵酸鹽的制備，但是激光級(jí)別的單晶一直沒(méi)有獲得?，F(xiàn)在，SSCG技術(shù)在制備大尺寸單晶、復(fù)合結(jié)構(gòu)單晶和直徑為數(shù)十微米球形（用于回音廊模激光）。另一個(gè)非常重要的單晶制備的關(guān)鍵是陶瓷具有納米結(jié)構(gòu)。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(gè)微米到幾十微米。這種氧化鋁陶瓷直線透過(guò)率低并且具有雙折射，所以不能用于激光增益介質(zhì)。然而，如果晶粒尺寸遠(yuǎn)小于激光振蕩波長(zhǎng)的納米氧化鋁陶瓷能構(gòu)制備，這個(gè)納米結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷將來(lái)可以用作激光基質(zhì)材料。

激光陶瓷的局限性和解決方法

        盡管陶瓷技術(shù)有上述優(yōu)點(diǎn)，但是陶瓷技術(shù)也并不是完美的。存在的問(wèn)題包括：用于開(kāi)發(fā)高功率激光的大尺寸激光增益介質(zhì)的制備；穩(wěn)定的激光運(yùn)作；晶界的存在對(duì)激光損傷的影響；非立方結(jié)構(gòu)激光增益介質(zhì)的開(kāi)發(fā)。制備陶瓷所使用的原料通常為亞微米和納米級(jí)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(zhì)的工藝中，具有非常良好堆積性能的粉體制備是關(guān)鍵。粉體堆積不均勻會(huì)在燒結(jié)體中產(chǎn)生殘余氣孔（散射中心）。然而，制備沒(méi)有任何不均勻的粉體是非常困難的。因此接下來(lái)激光陶瓷制備技術(shù)革新主要集中在具有玻璃激光增益介質(zhì)尺寸的陶瓷激光增益介質(zhì)的制備，要解決這個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)方法，一個(gè)是建立一套精確的陶瓷成型工藝，另一個(gè)是把小尺寸激光增益介質(zhì)鍵合成大尺寸。陶瓷是由不同取向的晶粒所組成，因此雜質(zhì)容易聚集，通常在晶界處缺陷的密度高很多。當(dāng)用光學(xué)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#X射線斷層攝影術(shù)觀察陶瓷的晶界，發(fā)現(xiàn)在晶界處存在大量的光學(xué)散射中心。為了提高激光轉(zhuǎn)化效率、減少光學(xué)損耗，晶界處的光學(xué)散射必須完全消除。非立方結(jié)構(gòu)的晶體具有雙折射，這在陶瓷中會(huì)引起強(qiáng)烈的光學(xué)損耗。為了滿足客戶的需求和擴(kuò)大客戶的選擇，納米結(jié)構(gòu)陶瓷制備技術(shù)和SSCG單晶制備技術(shù)對(duì)開(kāi)發(fā)有前景的激光材料是非常重要的。

展望

        在全球范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)陶瓷激光的歷史仍十分短，不過(guò)幾十年。源于日本的激光陶瓷技術(shù)在世界范圍內(nèi)盛行，但在美國(guó)和中國(guó)也已有關(guān)于陶瓷激光增益介質(zhì)成功實(shí)現(xiàn)激光振蕩的報(bào)道。同時(shí)在歐洲和亞洲其它國(guó)家，陶瓷激光技術(shù)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(gè)領(lǐng)域仍處于研發(fā)階段，但傳統(tǒng)單晶技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的激光性能已經(jīng)在激光陶瓷上實(shí)現(xiàn)。熔融生長(zhǎng)的單晶材料花費(fèi)了今20年才實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，與這個(gè)情況相似，陶瓷激光實(shí)現(xiàn)商業(yè)化仍然需要一些時(shí)日。

  陶瓷激光以后的應(yīng)用可能包括：環(huán)境檢測(cè)、高速金屬加工、手術(shù)和診斷用醫(yī)療設(shè)備、激光導(dǎo)航系統(tǒng)、投影和激光電視用RGB光源、激光驅(qū)動(dòng)核巨變等。事實(shí)上，其中一些應(yīng)用已經(jīng)處于產(chǎn)品研發(fā)階段。在不久的將來(lái)，陶瓷技術(shù)有望對(duì)各種無(wú)源光學(xué)器件（如紅外視窗、透鏡、棱鏡、非線性光學(xué)部件、閃爍體等）產(chǎn)生技術(shù)革新。此外，透明陶瓷的使用將會(huì)延伸到壓電和熱電材料和工程陶瓷領(lǐng)域。在傳統(tǒng)陶瓷中的散射中心數(shù)量已經(jīng)影響了光學(xué)期間的應(yīng)用，因此開(kāi)發(fā)能獲得顯微結(jié)構(gòu)完美（接近理論極限）的陶瓷技術(shù)變得十分迫切。一旦陶瓷能夠獲得完美的顯微結(jié)構(gòu)，這種制備技術(shù)能夠延伸到其它技術(shù)領(lǐng)域。