下一阶段，中红外陶瓷激光器将转入其制备工艺优势的研究

作者：陈浩   江苏省先进激光材料与器件重点实验室

以透明陶瓷为代表的新型激光材料为新型激光器（特别是高功率激光器）的设计与制造提供了新的材料基础。

早在1964年Hatch等人就研发出世界上第一台陶瓷激光器（Dy2+:CaF2）；但直到1995年，日本科学家Ikesue等人首次开发出具有实用价值的Nd:YAG透明陶瓷，并采用激光二极管（LD）抽运方式实现了70 mW的激光输出（斜率效率为28%）。

这一研究成果极大地激发了研究人员对透明陶瓷材料的兴趣，陶瓷激光器的输出功率、光-光转换效率记录不断被刷新。2010年，Textron公司使用透明陶瓷实现了100 kW以上的激光输出，达到了战术武器级别要求。

67 kW热容激光器用大口径陶瓷片

Nd:YAG陶瓷激光器发展历程

随着制备工艺的突破，透明激光陶瓷作为激光增益介质不仅具有可与单晶相比拟的物理化学性能、光学品质、光谱和激光特性，而且具有显著的制备优势：

透明激光陶瓷典型的制备工艺分为液相反应和固相反应两种。固相反应烧结法通常使用商业化的高纯度α-Al2O3粉体、化学沉淀法制备的Y2O3粉体和Ho2O3粉体（以Ho:YAG为例），按照不同掺杂浓度Ho:YAG的化学计量比精确称取各原料粉体，复合添加MgO等烧结助剂。

以无水乙醇为球磨介质，磨球采用高纯的Al2O3磨球，将混合的原料粉体放在行星球磨机上球磨分散；球磨后的浆料放在烘箱中干燥后过筛。热处理后的粉体经压力初步成型后，再以200 MPa压力压成素坯。素坯800℃素烧后，置于真空度不低于10^-3 Pa的钨丝真空炉中于1780℃下保温8~12 h，在空气中1450℃退火处理。退火结束的透明陶瓷样品经双面研磨、抛光后即可用于激光实验。

透明陶瓷

（掺杂不同稀土元素，在可见光范围显现不同颜色） 

在激光技术领域中，一般将中红外定义为2~5 μm波段。该波段激光在国防、医疗、通信等方面有着特殊的重要应用，但其产生、探测以及应用技术都远远落后于人们已经熟知的1 μm波段的激光。

产生中红外激光的主要方式包括：掺杂离子的直接发射、半导体技术、非线性手段等。

可以直接通过“离子间的能级跃迁”来产生中红外波段激光的稀土离子主要包括Er3+，Tm3+，Ho3+，Pr3+，Dy3+离子以及过渡金属离子Cr2+，Fe2+，Ni2+，Co2+等。稀土掺杂的基质可以是晶体、陶瓷，也可以是光纤材料。

一般来讲，稀土离子的能级丰富，同一种离子可以具有多个发射峰，这为实现多波长激光运转提供了便利的条件。使用稀土离子掺杂的激光增益材料直接产生中红外激光一直占有绝对的主导地位，其中Er³⁺，Tm³⁺和Ho³⁺是最常用的3种稀土离子。

2 μm掺Tm透明陶瓷激光器

使用VBG的Tm:YAG陶瓷激光器调谐装置图

Tm:YAG陶瓷在2016 nm、1960 nm和1882 nm处各有一个发射峰，在波长短于1900 nm的区域，重吸收较严重，因此，在常规情况下，2016 nm附近的激光振荡具有竞争优势。

如今，Tm:YAG激光陶瓷通过定标放大可实现52 W的激光输出。而在宽谱调谐特性方面，可以实现从1956.2 nm到1995 nm的连续调谐，激光光谱的典型带宽为0.1 nm左右。

2.1 μm掺Ho透明陶瓷激光器

石墨烯被动调Q的Ho:YAG透明陶瓷激光器

2.1 μm的Ho³⁺的Y2O3和YAG陶瓷用同带抽运的方式都已经实现激光振荡。2011年5月，江苏师范大学以自制的高质量Ho:YAG陶瓷作为激光增益介质，采用掺Tm光纤激光共振抽运技术，成功实现了21.4 W的连续波输出。

此外，他们首次使用石墨烯作为Ho:YAG陶瓷激光器的可饱和吸收体，实现了调Q激光输出，在重复频率为~64 kHz时，获得了最大单脉冲能量为9.3 μJ。

3 μm掺Er透明陶瓷激光器

倍半氧化物热导率比YAG材料高约50%，其声子能量也比YAG材料低很多（YAG 857cm-1，Y2O3 591cm-1，Lu2O3 612cm-1，Sc2O3 672cm-1）。因此，掺Er倍半氧化物激光增益材料被认为是一种较为理想的中红外基质材料。

通过970 nm的半导体激光器抽运掺Er增益材料，可以直接产生3 μm波段的中红外激光。并采用烧结工艺，仅需1600℃~1800℃就可以制备出高质量的透明激光陶瓷。

2014年，江苏师范大学使用自制、未镀增透膜的3 at.%，7 at.%和15 at.% 掺杂Er:Y2O3与Er:Lu2O3透明陶瓷作为激光增益介质，均实现了波长为2.7 μm的激光输出，这是首次在室温下获得倍半氧化物透明陶瓷的连续激光输出。

其中，7 at.% 掺杂的12 mm长Er:Y2O3与10 mm长Er:Lu2O3 表现出较为优异的激光性能，分别获得了1.73 W和1.4 W的连续激光输出，相应波长分别为2724 nm和2723 nm。

在调Q运转中，简单的两镜腔Er:Lu2O3陶瓷激光器和被动调Q Er:ZBLAN光纤激光器的结果相当：平均输出功率为850 mW @ 2737 nm、脉冲重复频率为128~282 kHz、脉冲宽度为183~588 ns。

15 at.% Er:Lu2O3 and Er:Y2O3 陶瓷激光器

纵观透明激光陶瓷材料的发展历史，从1995年至今的短短20年，Nd、Yb、Tm、Er和Ho等各类稀土掺杂透明陶瓷均实现了激光运转，表现出不弱于同体系单晶材料的物理、化学、光谱和激光运转特性，并展现出一些独特的性能。

透明激光陶瓷（器）的相关研究已经取得了巨大的历史进展，基本完成了“在性能上与单晶可比拟”、“以取代单晶材料”为研究目标的历史阶段。

下一阶段，透明激光陶瓷材料的研究重点或许将很快转入“充分体现透明激光陶瓷所独有的、高度灵活的制备工艺优势”，例如复合结构、超大尺寸、任意形状、超高温透明陶瓷等等。

“一代材料，一代器件。”正是材料和激光技术的相辅相成，才推动着激光行业的不断进步。

可以预见的是，透明激光陶瓷新材料和新功能器件的不断涌现，将会推动激光技术的持续发展，获得更多的突破。

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