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商品激光陶瓷材料的性能和发展

2007-07-26 18:08
老猫
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商品激光陶瓷是一种新出现的材料,最初的研究是针对热寻的导弹、街道钠灯和战斗机的窗口等应用的需求。最早市售商品透明陶瓷(Lucalox)是由通用电气公司在20世纪60年代生产的。这种蓝宝石(铝基)陶瓷通常可用于制作街道钠灯灯泡,因为它具有强的防破裂强度和高热导率。

目前,铝基透明陶瓷技术已达到高度成熟的水平。例如,氮氧化铝(ALON)材料具有比玻璃更高的强度和硬度,且重量轻,能加工制造出半英吋厚、面积达20in×32in的大张板材。这种材料在军用车辆、飞机和导弹的前视窗口、条形码扫描仪窗口和抗划痕透镜等方面具有广泛的应用。

1966年,用Dy∶CaF2材料制作的陶瓷激光器问世,而最近研制成功的陶瓷激光器是用Cr2+∶ZnSe材料制作的,工作波段在2.6μm区。生产透明氧化物陶瓷(如YAG 一直是一项具有挑战性的工作,但最近的确取得了惊人进展。

激光等级的透明陶瓷的开发研究更具挑战性,主要原因是其性能要求比窗口应用更加严格。在透明陶瓷中,散射是最大的光损耗过程。在透明陶瓷内存在多种散射 源,包括微孔、颗粒边界、单个颗粒内的结构梯度以及光学各向异性材料的相和晶格缺陷等均能使局部折射率改变。最近10年来,制作透明氧化物陶瓷材料的技术 日趋成熟,散射损耗已降到令人满意的程度。用这种陶瓷制作的激光器的性能可与单晶制作的激光器的性能相媲美。

 减少透明氧化物陶瓷的散射损耗的研究业已取得显著进展。1995年,Akio Ikesue报告了具有衰减系数为0.009cm-14的氧化物陶瓷,并成功研制出世界上第1台氧化陶瓷激光器。这些成果的取得应归功于其他几种技术的进 展,特别是基于二氧化硅的烧结技术。该技术在减少材料的多孔性及降低光损耗方面具有重要贡献。2000年,由日本Ken-ichi Uleda领导的一个研究小组用其10年前使用过的一种陶瓷制造方法精制了这种陶瓷,并获得更低的光损耗,使光损耗有效数字降低53%。

自这些初始研究取得成功之后,他们的研究取得了惊人进展。到目前为止,陶瓷Nd∶YAG的理论密度已达到99.9999%,比单晶YAG的显微硬度高 10%,断裂刚度强5倍。此外,还具有高达58.5%的激光斜坡效率和高达1.4kW的输出功率。以6.8%原子浓度掺杂、用 885nm波长激光泵浦的Nd∶YAG微芯片(厚度为400μm 激光器,业已证实具有20%的斜坡效率。该项专利权所有者日本的Kono Shima Chemical公司及其合作伙伴,美国的Baikowski International公司现已研制出一种具有高达4%原子掺杂浓度的陶瓷Nd∶YAG。

除Nd∶YAG外,另有几种其他陶瓷系列也能产生激光振荡。这些材料包括:Yb∶YAG,Nd∶YSAG,Nd∶Y2O3和Yb∶Sc2O3。高导热率的 Y2O3的导热率是YAG材料的2倍。宽发射光谱的Nd∶YSAG和Yb∶Sc2O3现已引起人们的广泛注意,这些陶瓷材料现已被选用作为激光增益放大的 基质材料。晶体Y2O3的生长在以前是很困难的,因为其熔化温度很高(近似为2430℃),而陶瓷Y2O3的烧结温度低于这个熔化温度。

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