激光陶瓷增益介质

陶瓷增益介质

定义：具有陶瓷微观结构的激光增益介质。

一般来讲，固态增益介质为晶体或者玻璃。晶体通常是单晶，因为多晶介质通常在边界具有很强的散射。然而，从上世纪九十年代，一种多晶介质——陶瓷通过精细的制备技术极大的降低了散射损耗，尤其是采用了真空烧结技术。开始采用的是粉末中非常小的离子，然后经过细化工艺产生的纳米离子具有可控尺寸，非常小的微晶和气孔，得到的散射损耗比单晶大不了很多。尤其是在钇铝石榴石中已经实现。掺钕的YAG陶瓷可以得到与掺钕YAG单晶相同的激光器效率。掺镱增益介质也具有相同的性能。陶瓷也可以用做电子振动激光增益介质。

陶瓷激光增益介质相比于单晶具有很多重要的优势：

1. 制备成本低，尤其是制作很大片的情况下。
2. 陶瓷增益介质可以制作成任意形状和尺寸，然而单晶增长技术则会限制介质尺寸。
3. 陶瓷也可以产生复合增益介质，包括不同的掺杂程度，甚至不同的掺杂物。还可以包含一个可饱和吸收器用于被动Q开关[11]。
4. 很容易得到具有空间变化的掺杂浓度。这能够为激光器设计提供额外的自由度。
5. 对于掺钕和掺镱YAG陶瓷，可以实现更高的掺杂浓度，但是不会产生淬灭效应降低激光器效率。
6. 有些材料，例如氧化钇（Y₂O₃），氧化钪（Sc₂O₃）和其它钛氧化物具有很高的熔点，很难长成单晶，但是很容易得到陶瓷形式，因为烧结温度比熔点温度低很多[8]。 Y₂O₃和Sc₂O₃的高热导率是这些材料优于YAG。

基于以上原因，陶瓷增益介质在很多情况下可以取代戴静，尤其是在大体积应用和需要很大增益介质的情况。

需要注意的是，陶瓷用在激光器上不仅仅可以作为增益介质。有些增益介质，例如氮化铝陶瓷，具有很高的热导率，可以作为很好的电绝缘体。这也使它们可以用在高功率激光二极管中的热沉。

参考文献

 

[1] E. Carnall et al., “Optical studies on hot-pressed. polycrystalline CaF₂ with clean grain boundaries”, Mater. Sci. Res. 3, 165 (1966)

[2] A. Ikesue et al., “Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers”, J. Am. Ceram. Soc. 78, 1033 (1995)

[3] J. Lu et al., “Optical properties and highly efficient laser oscillation of Nd:YAG ceramics” Appl. Phys. B 71, 469 (2000)

[4] G. A. Kumar et al., “Spectroscopic and stimulated emission characteristics of Nd³⁺ in transparent YAG ceramics” IEEE J. Quantum Electron. 40, 747 (2004)

[5] J. Lu et al., “Neodymium doped yttrium aluminum garnet (Y₃Al₅O₁₂) nanocrystalline ceramics – a new generation of solid-state laser and optical materials”, J. Alloy. Compd. 341, 220 (2002)

[6] Y. Qi et al., “Nd:YAG ceramic laser obtained high slope-efficiency of 62% in high power applications”, Opt. Express 13 (22), 8725 (2005)

[7] L. D. Merkle et al., “Concentration quenching in fine-grained ceramic Nd:YAG”, Opt. Express 14 (9), 3893 (2006)

[8] J. Kong et al., “High-efficiency 1040 and 1078 nm laser emission of a Yb:Y₂O₃ ceramic laser with 976 nm diode pumping”, Opt. Lett. 32 (3), 247 (2007)

[9] T. Taira, “RE³⁺-ion-doped YAG ceramic lasers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3), 798 (2007)

[10] J. Dong et al., “Laser-diode pumped heavy-doped Yb.YAG ceramic lasers”, Opt. Lett. 32 (13), 1890 (2007)

[11] J. Dong et al., “Composite Yb:YAG/Cr⁴⁺:YAG ceramics picosecond microchip lasers”, Opt. Express 15 (22), 14516 (2007)

[12] M. O. Ramirez et al., “Three-dimensional grain boundary spectroscopy in transparent high power ceramic laser materials”, Opt. Express 16 (9), 5965 (2008)

[13] A. Ikesue and Y. L. Aung, “Ceramic laser materials”, Nature Photon. 2, 721 (2008)

参阅：增益介质，激光晶体与玻璃，掺钕增益介质，高功率激光器