透明陶瓷具有良好的機械性能和光學性能，獨特的制備優(yōu)勢促使其成為繼玻璃和單晶之后又一種優(yōu)秀的激光介質(zhì)，為激光系統(tǒng)的設(shè)計提供了更大的自由度和發(fā)展空間。

一、透明陶瓷作為激光增益介質(zhì)的優(yōu)勢

1.制備周期短，生產(chǎn)成本低

陶瓷材料燒結(jié)工藝簡單，制備周期為數(shù)天，適合大批量生產(chǎn)。燒結(jié)裝置無需貴金屬材料，無需在高純保護性氣氛下進行。而單晶生長技術(shù)性復雜，生長周期為數(shù)十天，通常需要昂貴的鉑金或銥坩鍋，生產(chǎn)成本較高。因此，與單晶相比較而言，透明陶瓷具有非常明顯的制備成本優(yōu)勢。

2.大尺寸制備，高功率輸出

陶瓷的制備工藝使其更容易制備成大尺寸的激光增益介質(zhì)，因此在超短、超強激光的產(chǎn)生方面具有很大的優(yōu)勢。單晶介質(zhì)雖然也經(jīng)常被用于高重頻、大脈沖能量的激光系統(tǒng)中，但其有限的增益介質(zhì)體積是制約功率提升的重要因素。得益于陶瓷制備工藝優(yōu)勢，透明陶瓷能夠獲得單晶生長無法達到的大尺寸。

玻璃雖然容易被制成大尺寸，但熱導效率遠低于絕大多數(shù)激光晶體，在高功率工作時，材料內(nèi)部會產(chǎn)生熱致雙折射效應和光學畸變，除此之外，玻璃還具有硬度較低、激光振蕩閾值較高等缺點。而透明陶瓷單色性好、熱導率高，可以承受更高的輻射功率。因此，在超高功率、超短、超強激光輸出方面，透明陶瓷材料大有所為。

3.開發(fā)新型激光材料

倍半氧化物具有聲子能量低、熱膨脹系數(shù)低、熱導率高、損傷閾值低等優(yōu)勢，在固體高功率激光領(lǐng)域有著極大的應用前景。倍半氧化物材料熔點非常高（2400℃），很難通過單晶的生長工藝進行制備，但是其相變點低于熔點，因而可以通過陶瓷制備工藝在較低的溫度下（1500℃-1700℃）實現(xiàn)倍半氧化物透明陶瓷材料的制備。高熱導率和容易制備成大體積增益介質(zhì)的特點使得倍半氧化物在制備高功率、高效率和超短脈沖激光方面具有很強的應用前景。

4.制備復合結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)單晶材料的復合是把不同功能的單晶材料通過拋光和熱擴散結(jié)合在一起，需要克服結(jié)合面強度較弱、易產(chǎn)生空氣間隙等困難。而利用燒結(jié)工藝制備的陶瓷材料容易被制備成各種復合結(jié)構(gòu)，如多層結(jié)構(gòu)、芯包結(jié)構(gòu)、梯度摻雜結(jié)構(gòu)等，其結(jié)合面強度較強，制備時間也較短。在技術(shù)優(yōu)勢上，單晶摻雜激活離子的分布是單一的，而陶瓷復合結(jié)構(gòu)中激活離子接近理想的高斯分布，這種激活離子的分布有利于生成高斯模式的激光，通過控制激活離子在激光陶瓷中的摻雜分布，可以獲得想要得到的激光模式。

二、激光陶瓷的發(fā)展歷程

激光陶瓷是一種以激光增益介質(zhì)為特性的陶瓷材料，這些陶瓷可以吸收能量并在特定的光波長下發(fā)出激光。

20世紀60年代，半透明的Al2O3陶瓷在高壓鈉燈放電管的應用，開啟了陶瓷材料在光學領(lǐng)域應用的新篇章。然而，初期制作的陶瓷中存在殘余氣孔、第二相、雙折射等大量的散射點，散射損耗導致其光學質(zhì)量較差，難以作為激光增益介質(zhì)。直到1995年，日本才首次制備出高透明度的Nd:YAG陶瓷，以此作為激光增益介質(zhì)實現(xiàn)了激光振蕩，斜率效率達到28%，這是激光陶瓷發(fā)展史上的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。此后，科研人員對激光陶瓷器進行了大量的研發(fā)工作。而由于陶瓷材料的軍事敏感性，在激光陶瓷研究中占據(jù)國際領(lǐng)先地位的日本，長期以來對我國實施技術(shù)封鎖及樣品禁運。相比之下，我國對于激光陶瓷的研究起步較晚，總體上與日本存在較大差距，于2006年中科院上海硅酸鹽研究所首次通過自研高透明度Nd:YAG陶瓷，實現(xiàn)激光輸出。目前，隨著激光技術(shù)和陶瓷材料的不斷發(fā)展，激光陶瓷的應用范圍拓展，陶瓷激光器的輸出功率、光-光轉(zhuǎn)換效率的記錄不斷被刷新。

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三、激光陶瓷的應用

1.激光器制造

激光陶瓷作為增益介質(zhì)，通過吸收能量并在特定的光波下發(fā)出激光，實現(xiàn)了高能量、高功率和高亮度的激光輸出，在固體激光器和光纖激光器中得到了廣泛的應用。

2.光學器件制造

激光陶瓷可以用于制造透鏡、棱鏡、反射鏡等各種光學器件，這些光學器件可以廣泛地應用于醫(yī)療、科研、通訊等領(lǐng)域。

3.生物科學研究

激光陶瓷在生物科學研究、醫(yī)學治療中也有廣泛應用，如熒光光譜分析、生物細胞成像和光熱治療等。

4.精密加工

激光是微加工領(lǐng)域的有效工具，將一定功率的激光聚焦于被加工物體上，使激光與物體相互作用，達到加工的目的，如激光切割、激光打標、激光焊接等。

四、激光陶瓷的技術(shù)難點

陶瓷內(nèi)部的晶界、氣孔、晶格的不完整性都會導致材料的不透明并增加光學損耗，從而影響激光的產(chǎn)生。光學損耗包括光學散射和光學吸收。光學吸收是指光學性能向其他性質(zhì)能量的轉(zhuǎn)變，而光學散射只改變光的傳播方向，不涉及能量的轉(zhuǎn)換。要提高激光陶瓷材料的光學質(zhì)量，必須在陶瓷材料制備技術(shù)上下功夫。

一方面，提高原料純度、優(yōu)化成型、燒結(jié)工藝，這是降低光學損耗的關(guān)鍵；另一方面，激光陶瓷材料的單晶化制備是激光陶瓷材料制備技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。目前大多數(shù)陶瓷材料都屬于多晶結(jié)構(gòu)，多晶結(jié)構(gòu)中的晶界是造成光學散射的重要原因之一，因此，激光陶瓷材料的單晶化對于提高光學質(zhì)量具有重要意義。

“一代材料，一代器件”，陶瓷材料和激光技術(shù)的相輔相成，必將推動陶瓷激光技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

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