「透明陶瓷之王」——雷射陶瓷

透明雷射陶瓷是在近年來蓬勃發展起來的新型雷射材料，當前市場上雷射材料以Nd:YAG（釹釔鋁石榴石）單晶和釹玻璃為主。Nd:YAG單晶具備熱導率高、化學穩定性和可工性好的特性，是目前應用廣泛的固體雷射介質，因其受到雜質分凝係數及尺寸的限制，存在輸出功率小和發光效率低等缺點，從而妨礙了單晶的應用，而透明YAG多晶陶瓷具有易製造、成本低、尺寸大、摻雜濃度高、熱導率高、耐熱衝擊性好，可大批量生產、易實現多層和多功能的陶瓷結構等優點，可作為一種性能優良的雷射介質使用，從而彌補單晶作為雷射工作物質的不足，是一種極有潛力的新型固體雷射材料。

雷射陶瓷作為21世紀雷射材料的研究熱點之一，直到1995年日本才首次製備出高透明的Nd:YAG陶瓷，該材料在製備技術和材料性能等方面都具有單晶、玻璃雷射材料無可比擬的優勢而受到極大的關注，雷射輸出功率和雷射效率都迅速提升。國內於2006年5月由中國科學院上海矽酸鹽研究所科研人員首次實現了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷的雷射輸出。

圖.固體雷射在雷射武器、雷射核聚變點火、雷射切割、雷射熔覆等領域的應用via中科院上矽所官網

雷射透明陶瓷有望取代晶體的地位，成為應用最廣泛的雷射材料之一。這主要是由於雷射陶瓷的製備採用了成熟的陶瓷生產方法，具有非常明顯的成本優勢，另外，還有一些優勢是單晶難以具備的。綜合看來，雷射陶瓷相比於晶體主要有如下的優點：

①陶瓷的製備時間短，燒結裝置無需貴金屬材料，燒結無需在高純保護性氣氛下進行，製備成本低；

②陶瓷可以製備成多種形狀，製備大尺寸的陶瓷是其製備方法固有的優勢；

③ 陶瓷中摻雜粒子濃度高，從整體上看摻雜粒子的分布均勻；

④ 陶瓷燒結的溫度比晶體的熔點低許多，製備出的陶瓷其組份偏離小；

⑤陶瓷能夠做成不同形狀或者多層材料進行燒結，有可能發展出多功能陶瓷。

雷射陶瓷與玻璃比較，前者優勢更為明顯，這是由於雷射陶瓷的熱導率、硬度、機械強度等性能與晶體相當或優於晶體，而玻璃雷射工作物質的主要不足就在這些方面。

1.雷射陶瓷的技術難點

陶瓷作為一種多晶材料，其內部的晶界、氣孔、晶格的不完整性都會導致材料的不透明並增加光散射損失，從而影響雷射的產生。綜合來看，透明雷射陶瓷製備的難點在於兩個方面：

①透光性。這主要受材料內部氣孔率、晶界結構、晶粒尺寸、原料純度等影響。

②均勻性。這一點受原料粉體粒度分布、成型坯體均勻性以及燒結工藝等影響。

其中雷射陶瓷在透光性上出現的光學損耗主要是由於光學散射和光學吸收引起的。光學吸收涉及光能向其它性質能量的轉變，而光學散射則不涉及能量轉換，僅改變光傳播方向。因此，光學損耗中心的控制是製備高質量雷射陶瓷的關鍵。需要對光學散射、吸收中心形成機理的深入研究，並提出了抑制光學損耗的有效方法。

解決以上問題，再在採用高純原料外調變原料粉體粒度分布、優化成型工藝和燒結工藝上多下功夫，製備出大尺寸、性能優異的透明雷射陶瓷材料就要容易許多。

2.透明雷射陶瓷的戰略意義

雷射技術對於經濟社會發展和國家安全具有極其重要的戰略意義，而雷射材料是雷射技術發展的核心和基礎。作為新一代固體雷射材料—透明雷射陶瓷，對國家安全和國民經濟可持續發展具有重大意義，是陶瓷材料研究領域結構功能一體化的典範。大尺寸、低光學散射損耗雷射陶瓷的研究具有很強的前瞻性、關鍵性與基礎性，不僅對材料科學發展意義重大，而且對高技術產業發展也具有重要意義。