| wz82 | 2008-01-25 20:03 |
陶瓷激光器的最新研究进展在固体激光技术及其相关领域的发展中，固体激光工作物质的开发是研究基础和先导，对于产生高性能的激光振荡具有决定性的意义。探索优秀的激光材料并应用于研发新型激光器件始终是激光研究的发展方向。可以说“一代材料，一代技术”。近年来迅速发展的新型陶瓷是继单晶、玻璃之后又一值得瞩目的激光材料。 在探索固体激光材料的过程中，人们较早的在单晶或者玻璃基质中实现了光学泵浦的激光作用并广泛的运用到军事、工业、科研和生活中。虽然早在上世纪六十年代，材料研究者从理论上论证了各向同性的光学陶瓷能够产生激光作用，但是，由于陶瓷材料是多晶体，其颗粒边界、气孔率、成分梯度及晶格的不完整性所引起的内部散射损耗过大难以实现有效的激光输出，此后数十年来激光陶瓷的研究一直未有突破性进展。直到1995年，Ikesue等研究者用固相反应结合真空烧结的方法获得了散射损耗低达0.009cm-1的Nd3+:YAG透明陶瓷，并从实验上验证了世界上第一台LD泵浦固体陶瓷激光器，斜率效率达到28%[1]。1999年，日本Konoshima化学有限公司采用纳米技术制备出吸收、发射光谱以及荧光寿命与单晶基本一致的多晶Nd：YAG陶瓷【2，3】。透明陶瓷光学品质的突破性提高，引起了国际社会的广泛关注，显示出光明的发展前景。 随着制备工艺的突破，多晶纳米陶瓷作为激光增益介质不仅具有与单晶相比拟的光学质量、物理化学性能和光谱、激光特性，而且具有显著的制备优势： (1)可制备大尺寸块体，且形状容易控制。 (2)可掺杂浓度高、光学均匀性好。 (3)烧结温度相对较低，制备周期短，生产成本低，能够大规模生产。 透明陶瓷同玻璃基质相比，具有如下材料优点： （1）热导率高，是玻璃材料的数倍，有利于降低热效应； （2）陶瓷的熔点远高于玻璃的软化点，能够承受更高的辐射功率; （3）陶瓷激光器输出激光的单色性比玻璃激光器好； 基于以上优点，各国研究者对新型激光陶瓷和陶瓷激光器件的研究方兴未艾。 从激光陶瓷的制备来看，目前商业化激光陶瓷已经出现，而且其气孔率密度、均匀性和内部散射损耗等性能已经赶上或者优于同种化学组分的单晶商品。不仅如此，陶瓷材料的掺杂种类（多种激活离子和基质）及掺杂形态也大大丰富，复合结构和多功能材料层出不穷。这些优点给予了高性能固体激光器前所未有的高性/价比和能够满足各种应用要求的灵活设计优势，使得长期以来光学工程师希望按照特定激光性能要求来进行材料分子设计以获取合适激光材料的梦想即将成为现实。透明激光陶瓷有望成为新的优秀激光材料引领未来固体激光工程发展的革新性飞跃！ 1.陶瓷激光器发展 激光陶瓷的迅猛发展极大的推动了陶瓷激光器的研制发展。新型陶瓷材料不仅推动传统的固体激光器向更高、更快、更强发展，而且各种新型陶瓷材料激光器（如低温烧结高熔点铼系倍半氧化物Re2O3: Re=Y, Lu, Sc）和一体化微片复合陶瓷激光器（Nd，Cr共掺YAG自调Q陶瓷；Nd:YAG陶瓷&KNbO3晶体复合蓝光激光器；Yb，Er共掺人眼安全激光器等）不断出现。 1.1高效率陶瓷激光器 2001年，日本电信大学Ueda课题组采用掺杂浓度分别为1.0at.%和2.0at.%的Nd3+:YAG透明陶瓷，以端面泵浦方式，获得了高达61%和58%斜率效率的高效激光输出。 2004年，中科院上海光学精密机械研究所采用超均匀侧面泵浦技术在1at.％ Nd：YAG陶瓷棒中获得输出功率236W,斜率效率62％的连续激光输出【4】。  图1中科院上光所高效率Nd：YAG陶瓷激光器 2006年，德国柏林技术大学采用芯掺杂Nd：YAG复合陶瓷棒获得输出功率140W,斜率效率67％的高效率激光输出【5】。  图2 柏林大学芯掺杂高效率Nd：YAG陶瓷激光器 1.2高功率陶瓷激光器 2003年，日本电信大学激光科学研究所与俄罗斯科学院的晶体研究所合作，采用LD阵列侧面泵浦用Ф8×203mm Nd3+:YAG陶瓷棒,获得了1.46 kW，斜率效率达49%的激光输出； 2005年，美国达信公司采用Nd：YAG陶瓷板条激光器，实现了5 kW的高功率连续激光输出，并以此获得了美国军方关于激光定向能武器的研制订单，目标在2007年实现100kW激光输出[6]。 2006年,美国利弗莫尔实验 室采用Sm3＋包边Nd：YAG复合结构陶瓷热容激光器实现了5Hz,67 kW激光输出,持续时间10s。Sm3＋掺杂包边Nd：YAG陶瓷的设计方案有效的抑制ASE和参量振荡[7]。  图3 LLNL 陶瓷热容激光器结构示意图  图4 Sm3＋包边Nd：YAG结构抑制ASE效应的原理 1.3大能量陶瓷激光器 未来大能量激光核聚变驱动器正从ICF向IFE发展，要求激光材料具有高的抗热冲击参数和大受激发射截面和大口径。采用低温冷却的Yb晶体取代Nd玻璃是一种新型的设计理念。激光陶瓷可获得大口径，高掺杂，且热机械性能更为优越，是理想的可取材料。日本大阪大学的研究者正在探索低温冷却Yb:YAG陶瓷激光器作为新型ICF的驱动系统的应用研究，并开展了若干前驱性工作，发现，低温冷却Yb陶瓷具有如下优异的材料特性： 1、受激发射截面和抗热冲击系数随温度可调→能够实现高效能量提取 2、4能级结构激光系统，无激发态再吸收→在LD泵浦下高激光增益 3、良好的热机械特性→可以高平均功率运转 而且，激光陶瓷能够制备大尺寸（1m×1m×2cm），高掺杂。不仅如此，低温冷却掺Yb陶瓷获得同样输出能量所需要的材料尺寸仅为钕玻璃的1/2~1/3，成本仅为后者的1/10。因此，无论从技术还是成本上来讲，冷却的Yb：YAG陶瓷都是作为ICF驱动材料的可靠选择。下一步，他们计划在16Hz重复频率下获得MJ量级激光输出功率，光学转换效率约12％。  图5 Yb：YAG陶瓷ICF驱动系统示意图  图6 低温下Yb：YAG为四能级结构，其抗热冲击参数和受激发射截面随温度可调. 1.4超短脉冲陶瓷激光器 1.4.1 Yb：Y2O3和Yb：Lu2O3透明陶瓷 日本东京大学ueda课题组采用Yb：Y2O3和Yb：Lu2O3透明陶瓷分别获得188fs和357fs锁模激光输出。  图8 Yb：Y2O3和Yb：Lu2O3陶瓷材料具有宽的发射带宽,是理想的飞秒激光器材料  图9 Yb：Y2O3和Yb：Lu2O3陶瓷锁模激光器获得飞秒脉冲输出 2.4.2 Yb:YSAG透明陶瓷 日本World-Labo. Co实验室采用掺杂浓度为15at.％的Yb:YSAG透明陶瓷，获得脉冲宽度280fs，平均输出能量为62mW的锁模脉冲激光输出【8】。 2.5 复合结构陶瓷激光器 新型复合结构陶瓷的研制成功，极大的开拓了激光技术领域的设计空间，各种结构紧凑微型化激光器应运而生。 2.5.1蓝光激光器  图11 复合结构一体化陶瓷蓝光激光器 2.5.2全陶瓷自调Q脉冲激光器  图12 微芯片Nd，Cr：YAG双掺杂自调Q全陶瓷激光器 2.6陶瓷光纤激光器 日本World-Labo. Co实验室Ikesue课题组提出如下的陶瓷光纤激光器的构想，并成功制备出双端冷却帽结构的Nd：YAG陶瓷光纤。由于YAG陶瓷的热机械性能远优于传统光纤所用的石英基质，陶瓷光纤单位长度所能承受的功率密度（8W/cm）远高于石英光纤(约1.3W/cm)，探索高功率陶瓷光纤激光器将有广阔的应用前景。  图13 Nd：YAG陶瓷光纤的形态  图14 陶瓷光纤激光器的激光实验 3.小结 国际国内对激光陶瓷及陶瓷激光器的研究非常关注并取得了飞速进展。新型激光陶瓷是继单晶和玻璃之后又一种优秀的激光介质，它不仅具备良好的材料和光学特性，而且具有强大的制备优势，还可以实现多层、多功能“All in One”的复合结构，给予了高性能固体激光器前所未有的高性/价比和便捷灵活的设计。随着激光陶瓷的品种和综合性能的拓展，陶瓷激光器的开发和应用不仅延伸到传统固体激光器的各个研究领域，并且能够不断突破现有固体激光技术的局限，有望推动未来固体激光工程向更广阔的空间发展和应用！ 来源：中国科学院上海光学精密机械研究所 |
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