“透明陶瓷之王”——激光陶瓷

透明激光陶瓷是在近年来蓬勃发展起来的新型激光材料，当前市场上激光材料以Nd:YAG（钕钇铝石榴石）单晶和钕玻璃为主。Nd:YAG单晶具备热导率高、化学稳定性和可工性好的特性，是目前应用广泛的固体激光介质，因其受到杂质分凝系数及尺寸的限制，存在输出功率小和发光效率低等缺点，从而妨碍了单晶的应用，而透明YAG多晶陶瓷具有易制造、成本低、尺寸大、掺杂浓度高、热导率高、耐热冲击性好，可大批量生产、易实现多层和多功能的陶瓷结构等优点，可作为一种性能优良的激光介质使用，从而弥补单晶作为激光工作物质的不足，是一种极有潜力的新型固体激光材料。

激光陶瓷作为21世纪激光材料的研究热点之一，直到1995年日本才首次制备出高透明的Nd:YAG陶瓷，该材料在制备技术和材料性能等方面都具有单晶、玻璃激光材料无可比拟的优势而受到极大的关注，激光输出功率和激光效率都迅速提升。国内于2006年5月由中国科学院上海硅酸盐研究所科研人员首次实现了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷的激光输出。

激光透明陶瓷有望取代晶体的地位，成为应用最广泛的激光材料之一。这主要是由于激光陶瓷的制备采用了成熟的陶瓷生产方法，具有非常明显的成本优势，另外，还有一些优势是单晶难以具备的。综合看来，激光陶瓷相比于晶体主要有如下的优点：

①陶瓷的制备时间短，烧结装置无需贵金属材料，烧结无需在高纯保护性气氛下进行，制备成本低；

②陶瓷可以制备成多种形状，制备大尺寸的陶瓷是其制备方法固有的优势；

③ 陶瓷中掺杂粒子浓度高，从整体上看掺杂粒子的分布均匀；

④ 陶瓷烧结的温度比晶体的熔点低许多，制备出的陶瓷其组份偏离小；

⑤陶瓷能够做成不同形状或者多层材料进行烧结，有可能发展出多功能陶瓷。

激光陶瓷与玻璃比较，前者优势更为明显，这是由于激光陶瓷的热导率、硬度、机械强度等性能与晶体相当或优于晶体，而玻璃激光工作物质的主要不足就在这些方面。

1.激光陶瓷的技术难点

陶瓷作为一种多晶材料，其内部的晶界、气孔、晶格的不完整性都会导致材料的不透明并增加光散射损失，从而影响激光的产生。综合来看，透明激光陶瓷制备的难点在于两个方面：

①透光性。这主要受材料内部气孔率、晶界结构、晶粒尺寸、原料纯度等影响。

②均匀性。这一点受原料粉体粒度分布、成型坯体均匀性以及烧结工艺等影响。

其中激光陶瓷在透光性上出现的光学损耗主要是由于光学散射和光学吸收引起的。光学吸收涉及光能向其它性质能量的转变，而光学散射则不涉及能量转换，仅改变光传播方向。因此，光学损耗中心的控制是制备高质量激光陶瓷的关键。需要对光学散射、吸收中心形成机理的深入研究，并提出了抑制光学损耗的有效方法。

解决以上问题，再在采用高纯原料外调变原料粉体粒度分布、优化成型工艺和烧结工艺上多下功夫，制备出大尺寸、性能优异的透明激光陶瓷材料就要容易许多。

2.透明激光陶瓷的战略意义

激光技术对于经济社会发展和国家安全具有极其重要的战略意义，而激光材料是激光技术发展的核心和基础。作为新一代固体激光材料—透明激光陶瓷，对国家安全和国民经济可持续发展具有重大意义，是陶瓷材料研究领域结构功能一体化的典范。大尺寸、低光学散射损耗激光陶瓷的研究具有很强的前瞻性、关键性与基础性，不仅对材料科学发展意义重大，而且对高技术产业发展也具有重要意义。