激光透明陶瓷研究的历史与最新进展

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第37卷第3期

2009年3月March，2009

硅 酸 盐 学 报

2009年

Vol. 37，No. 3

硅 酸 盐 学 报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

综合评述

激光透明陶瓷研究的历史与最新进展

杨秋红

(上海大学材料学院，上海 200072)

摘 要：由于透明陶瓷具有许多比单晶优越的性能，因此透明多晶陶瓷激光器成为近年来二极管泵浦固态激光器领域的研究焦点。目前，在Nd

:

YAG

陶瓷激光器中，已获得高于1

kW的高激光输出功率和高于65%的斜率效率，在Yb掺杂的倍半氧化物陶瓷激光器中，实现了二极管泵浦的超快飞秒

锁模激光输出以及82.4%的所有陶瓷激光器中最高的斜率效率。报道了中国近来在Nd

:

YAG和Yb/Nd掺杂的氧化镧钇透明陶瓷方面的研究进展，由中

国科学院上海硅酸盐研究所制备的Nd陶瓷激光器最大

::

YAG陶瓷激光器最大激光输出斜率效率为23.2%，由上海大学制备的一种新的YbYLaO

1.80.23

激光输出斜率效率达到52%。

关键词：激光透明陶瓷；钇铝石榴石；倍半氧化物；氧化镧钇；激光输出；斜率效率；综述

中图分类号：TF122.1 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2009)03–0476–09

THE RESEARCH HISTORY AND RECENT PROGRESS OF LASER TRANSPARENT CERAMICS

YANG Qiuhong

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract: Many recent studies on diode-pumped solid-state lars have focud on polycrystalline ceramic lars, becau they have

numerous advantages over single crystals. Now high lar power output (over 1

kW) and high slope efficiency (over 65%) have been

obtained in NdYAG ceramics lars. A diode-pumped ultrafast femtocond mode-locked lar and the highest ceramic lar slope

:

efficiency of 82.4% were achieved in Yb-doped squioxides ceramic lars. There has also been rearch progress recently in

NdYAG and Yb/Nd doped yttrium lanthanum oxide transparent ceramics in China. The maximum lar output slope efficiency of

:

NdYAG ceramics fabricated by the Shanghai Institute of Ceramics, Chine Academy of Sciences is 23.2%, while that of a new

:

YbY

:

1.80.23

LaO ceramics fabricated by Shanghai University is 52%.

Key words: lar transparent ceramics; yttrium aluminum garnet; squioxide; yttrium lanthanum oxide; lar output; slope efficiency;

review

透明陶瓷是在20世纪50年代末、60年代初发

展起来的。1959年，美国GE公司的Coble博士研

制出第一块透明氧化铝陶瓷——Lucalox，打破了人

们长期以来认为陶瓷不透明的看法。近50年来，世

界上许多国家，包括：美国、俄罗斯、日本、法国

及中国等，对透明陶瓷做了大量的研究工作，先后

开发出Y

2322223

OO

、MgO、CaO、TiO、ZrO、ThO、Lu、

ScOAlO(YAG)、MgAlO

23351224

、Y、AlON、ZnS、

MgF

22

和CaF等几十种透明陶瓷材料。由于透明陶

瓷既具有单晶耐高温、抗腐蚀、高绝缘、高强度等

特性，又具有良好的光学性能，因此得以广泛应用

收稿日期：2008–04–24。 修改稿收到日期：2008–09–08。

基金项目：国家自然科学基金(60578041)及上海市基础重大研究

(07DJ14001)资助项目。 E-mail: yangqiuhongcn@

第一作者：杨秋红(1963—)，女，博士，教授。

和迅速发展。

[1]

1 透明激光陶瓷

自1960年红宝石晶体激光器问世以来，

[2]

固

体激光器一直是最重要的研究和开发应用对象。材

料是激光技术的心脏，一代材料、一代器件和新的

激光材料的产生和发展将会引发新一代激光技术的

变革，即传统材料及激光器的淘汰和替代。由于固

体激光器在通信、军事和工业领域的巨大应用潜力，

人们一直不懈努力地研究探索新的性能更优异的激

光材料。进入21世纪以来，20世纪60年代出现的

Received date: 2008–04–24. Approved date: 2008–09–08.

First author: YANG Qiuhong (1963–), female, Doctor, professor.

第37卷第3期

杨秋红：激光透明陶瓷研究的历史与最新进展

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激光和激光科学技术正以其强大的动力推动着光电

子技术和产业的发展。 代表性的就是YAG和Y，也是目前研究得最为

固体激光器主要以晶体和玻璃材料为工作物

质，就综合性能而言，掺钕钇铝石榴石NdY

:

3512

AlO

(NdYAG)单晶仍然是性能最好、产量最大、用途最

:

广的激光基质材料。

提拉法生长单晶由于其生长周期长、价格昂贵、

尺寸小及掺杂浓度低，使其性能和应用范围受到限

制。

[3]

多年来材料科学工作者一直试图用玻璃、微

晶玻璃、多晶陶瓷作为激光工作物质来替代单晶。

激光玻璃的突出优点是制备成本低，易实现大尺寸

以及高的光学均匀性，但是，玻璃的热导率[一般低

于1

[4]

W/(m·K)]远低于绝大多数激光晶体的， 导致

激光玻璃在以高平均功率工作时，材料内部产生大目前，主要的研究单位有上海大学材料学院电子信

的热致双折射和光学畸变；这一点在强激光领域应息材料系、东北大学材料与冶金学院、中科院上海

用时表现得尤其突出，而且其激光效率与单晶材料硅酸盐研究所和北京人工晶体所等。值得关注的

相比也较低。

[5]

将透明陶瓷用作激光材料是近十几年中蓬勃发

展起来的研究课题，并以迅猛的势头向占据激光晶

体材料首席长达40年之久的NdYAG单晶发出了强

:

有力的挑战。

激光透明陶瓷具有很多单晶和玻璃所不具备的达到23.2%。

优点：和单晶相比，透明陶瓷具有掺杂浓度高，掺

杂均匀性好，烧结温度低，周期短，成本低，质量

可控性强，尺寸大，形状自由度大以及可以实现多

层多功能激光器等优点；和玻璃相比，透明陶瓷具

有单色性好，结构组成更为理想，热导率高和可承

受的辐射功率高等优点。

由于陶瓷是多晶，其内部的晶界、气孔、晶格

的不完整性等都会导致材料的不透明性及增加光的

散射损失，因此将其用于激光介质存在一定困难。

为了制备和单晶激光性能相当的高品质、高透明度

的激光陶瓷，人们做了大量的研究工作。

第一个实现激光振荡的透明陶瓷是1966年

Carnall等

[6]2+

用热压法制备的Dy。在透明陶瓷

:

CaF

2

研究初期阶段，激光陶瓷的激光性能远不及晶体和

玻璃，因而没有得到更多的关注。近10年来，随着

纳米制粉技术以及陶瓷材料的制备工艺日趋成熟，

透明陶瓷的光散射损耗已降到了令人满意的程度，

陶瓷激光器的激光性能已经完全可以与单晶激光器

相媲美。

在所有的材料中，立方晶系的晶体，譬如石榴

石型的晶体和稀土倍半氧化物，它们在沿光轴方向

上的折射率差等于零而且可以提供低对称性的格

位，

[1,7]

是制备透明陶瓷的最佳选择，其中最具有

23

O

广泛的两种透明陶瓷激光材料。

目前，国外研究透明激光陶瓷的机构主要有两

个：

1) 日本精细陶瓷中心、日本分子科学所激光研

究中心和罗马尼亚原子物理研究所固体量子电子学

实验室；

2) 日本电气通信大学激光科学研究所、俄罗斯

科学院晶体所晶体激光物理研究室和日本

Konoshima 化学公司。

日本的YAG和Y

23

O

等透明激光陶瓷已经实现

了部分产业化，而国内对这方面的研究才刚刚起步。

是，2006年6月，上海硅酸盐研究所制备的Nd

:

YAG透明陶瓷首次实现了激光输出，但是，与日

本制备的NdYAG相比，其输出功率仍然较低，倾

:

斜效率(一般用

η

表示)也不高；

[8]

上海硅酸盐研究

所制备的NdYAG透明陶瓷的激光输出倾斜效率

:

[9]

在倍半氧化物透明陶瓷的研究中，国内的上海

大学研制出首个拥有完全自主知识产权的透明激光

陶瓷——YbY

:

2–2x2x3

LaO

，2007年12月首次实现连

续激光输出，

[10]

其输出功率和倾斜效率与日本

2003年报道的YbY

:

23

O

透明陶瓷首次激光输出基本

一致。透明陶瓷激光输出

[11]

目前，YbYLaO

:

2–2x2x3

倾斜效率达到52%，

[12]

标志着我国透明激光陶瓷

初步实现了高效激光输出，为今后向着制备大尺寸、

高质量激光陶瓷打下了坚实的基础。

成为世界信息产业强国是我国21世纪的发展

战略目标，我国在国防科技、军用武器装备和未来

相关高技术产业(先进制造业、能源、通信、医疗)

等众多领域亦将拥有规模巨大的激光及其元器件的

市场需求。 透明陶瓷激光器以其优越的激光性能、

巨大的市场潜力引起了世界各国学界和政府越来越

多的关注，将会成为下一代激光介质的新宠，因此，

如何制备高光学质量、高激光效率、高输出功率的

透明陶瓷将是我国在本世纪需要解决的一个迫在眉

睫的问题。

1.1 NdYAG透明陶瓷

:

Nd

3+

是较早被人们研究的一种稀土离子，其外

层电子组态为4f

326

5s5p

，其中4f未被填满。4f上的

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硅 酸 盐 学 报

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3个电子可以处于不同的运动状态，结果形成一系

列能级。，，，

2444244

K+G+GG+GF+S

3/21/29/25/27/21/23/2

42422

F+HFF+H

5/29/23/25/29/2

和为吸收能级，其中能级

的吸收范围在800

nm附近，和激光二极管(lar

diodes，LD)泵浦源的输出相匹配，因此对实现高功

率和高效率的小型化激光器件十分有利。Nd

3+

掺杂

的激光增益介质是四能级系统，具有阈值低、量子

效率高和受激辐射面大等优点，易实现激光振荡。

在众多Nd

3+

掺杂的激光材料中，NdYAG因其

:

增益高、热性能和机械性能好而成为科研、工业、

医学和军事应用领域中最重要的固体激光材料。

NdYAG单晶主要采用提拉法生长。Nd

:

3+

在YAG中

的分凝系数很低(约0.18)，大大限制了Nd的摩尔

3+

(下同)掺量(<1.2%)。尽管一些新的生长方法，如热

温梯法，可以生长出掺量高达3%～4%的NdYAG

:

单晶，

[7]

但是，其均匀掺杂区域仍然很小。

钕玻璃也是一种重要的激光增益介质，其最大

的缺点就是热导率低和热膨胀系数大，不适用于小

功率激光连续工作器件和高重复频率器件。在大型

器件中，大尺寸的钕玻璃棒的热畸变严重，导致光

学均匀性变差，引起激光发散角增大。

[13]

NdYAG

:

透明陶瓷的出现正好可以弥补单晶和玻璃的缺陷从

而引起了科研人员的极大兴趣。

对NdYAG透明陶瓷的研究始于二十世纪八、

:

九十年代。1984年，With等

[14]

用喷雾干燥和煅烧硫

酸盐混合物制备出YAG粉料，他们以SiO和MgO

2

为烧结助剂，采用真空烧结工艺，制得相对密度近

100%的透明YAG陶瓷，其透光率在50%～80%。

1990年，Sekita等

[15]

采用化学共沉淀法制备出YAG

粉料，用等静压成型和真空烧结工艺制得不同掺钕

量的YAG陶瓷，其中1%NdYAG陶瓷存在较大的

:

背景吸收系数(2.5～3

–1

cm)，因而没有获得激光输

出。直到1995年，日本Ikesue等用直径小于2

[16]

µm

的A1

232323

OOO

、Y和Nd粉末作为初始原料，采用

高温固相反应法首次制备出高度透明的NdYAG陶

:

瓷，研制出世界上第一台能与NdYAG单晶激光器

:

相媲美的NdYAG透明陶瓷激光器。用600

:

mW的

LD端面抽运时，在1064nm最大激光输出为70mW，

阈值309

mW，斜率效率为28%，如图1所示。1996

年至1999年，他们还研究了掺钕量、等静压或热压

工艺、光散中心和气孔等对NdYAG陶瓷显微结构、

:

性能及激光器性能等各个方面的影响。

1999年，日本Konoshima公司采用了一种新的

纳米真空烧结(nanocrystalline technology vacuum

图1 0.9%Nd

::

YAG单晶与1.1%NdYAG多晶陶瓷激光输

出

[16]

Fig.1 Lar output vs input energy for 0.9%NdYAG single

:

crystal and 1.1% NdYAG polycrystal

:

[16]

sintering，NTVS)技术成功制备了高质量的NdYAG

:

透明陶瓷，

[17]

该NdYAG陶瓷在1064nm处的散

:

射损耗仅0.002，其光学性能与单晶几乎一致。

–1

cm

用l%NdYAG陶瓷作为激光介质，样品尺寸

:

φ

3

mm×

5mm，激光输出斜率效率达到53%。 基于上述

[18]

技术，2002年，在日本Toshiba公司的协助下，掺

量为0.6%，尺寸为

φ

8

m m×203mm的NdYAG陶

:

瓷棒首次突破了千瓦级的激光输出。

[19]

2004年，

日本的NdYAG透明激光陶瓷的激光性能首次超过

:

了相同尺寸、相同掺杂水平的NdYAG单晶，在290

:

W的泵浦功率下得到的最大输出功率为110

W，倾

斜效率为41%，比相同掺杂量同尺寸的NdYAG单

:

晶分别高了6.8%和7.9%。

[20]

2005年，中国科学院

上海光学精密机械研究所采用从日本Konoshima化

学公司购买的1%NdYAG陶瓷棒，通过侧面泵浦技

:

术实现了高效激光输出，采用78%的输出耦合，在

450 W的泵浦功率下，得到最大输出功率236

W，

倾斜效率高达62%；采用70%的输出耦合时，其斜

率效率比相同掺杂量的单晶提高4.5%。

[21]

目前，

Ikesue等报道的NdYAG透明陶瓷激光器的倾斜效

:

率已经达到了65%。

[21]

陶瓷具有掺杂浓度高的优势，在高效率激光器

中有很好的应用前景。高掺杂NdYAG陶瓷已经成

:

[22–26]

功实现了激光输出。

3.4% NdYAG陶瓷激光器

:

的倾斜效率达到27.4%，比0.9% NdYAG单晶高了

:

近7%，在相同的输入功率下，其输出功率是单晶

的2倍多。

[26]

3.8%NdYAG陶瓷激光器的倾斜效率

:

达到42%。掺量高达5%的NdYAG透明陶

[24]3+

Nd

:

瓷的激光输出倾斜效率达40%。掺

[22]3+

目前，Nd

量最高为6.8%NdYAG陶瓷激光器的倾斜效率也达

:

第37卷第3期

杨秋红：激光透明陶瓷研究的历史与最新进展

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到了20%。

[24]

由于高掺杂的陶瓷样品具有吸收长

度短和热性能好等优点，因此可以作为微芯片激光利用5块

器。

多层复合激光器是一种新型高效率、高功率激

光器，其增益介质为多层结构，一般是将掺杂和不

掺杂的同类单晶通过抛光再扩散的方式结合起来，

这种结构可以起到提高激光功率、激光效率和改善

光束质量的目的；但是，受到单晶制备技术的限制，

其可实现的复合形状非常有限，而且结合面的结合

强度也较低。透明激光陶瓷的出现使多层复合激光

器蓬勃发展起来。陶瓷可以制备成各种形状，通过

烧结过程中的扩散，陶瓷–陶瓷以及陶瓷–单晶之间

可以形成良好的结合，因此透明陶瓷将成为复合激

光器的最佳增益介质。

图2是目前已经实现激光输出的几种NdYAG

:

透明陶瓷多层激光增益介质，其倾斜效率(

η

)都达到

了50%以上，并具有非常优良的光束质量。

[22]

率。2006年3月，美国Livermore国家实验室(Lawrence

Livermore National Laboratory，LLNL)

[27]

尺寸为10

cm×10cm×2cm的NdYAG透明陶瓷板

:

片在LD泵浦下获得了67

kW的激光输出，是目前

国际上最高功率的固体热容激光器，这种激光器在

2～7

s内就可以将一块厚2.5cm的钢板击穿。

激光陶瓷片由日本Konoshima化学公司提供，

是迄今为止尺寸最大的透明激光陶瓷片，如图3所

示。这种陶瓷片通过“流铸法”制备：先将两块1

cm

厚的陶瓷片在较低温度下在真空气氛中烧结，然

后，在高温氩气氛下在几百兆帕热压烧结使两块陶

瓷合二为一。采用这种方法可以制备出超大尺寸的

透明陶瓷。

图3 世界上最大的尺寸为10

cm×10cm×2cm的NdYAG

:

透明激光陶瓷片

[27]

Fig.3 The largest NdYAG transparent lar ceramic slab in

:

the world with size of 10

[27]

cm×10cm×2cm

图2 各种复合陶瓷激光元件的激光性能

[22]

Fig.2 Lar performance of various types of composite

elements

[22]

此外，透明陶瓷在固体热容激光器(solid-state

heat capacity lar，SSHCL)上的应用前景也令人振

奋。固体热容激光器主要应用在高功率、大能量的

激光输出上，要求材料具有超大的尺寸和高的热导

按照LLNL热容激光武器方案，其功率必须达

到100

kW以上，因此，NdYAG晶体或陶瓷的直径

:

必须达到160

φ

[28]

mm以上。 要拉制尺寸如此大的

单晶具有相当大的困难，所以，大尺寸优质透明陶瓷

成为最有竞争力的高功率热容激光武器的增益介质。

NdYAG透明陶瓷的突破也带动了其他透明陶

:

瓷的研究，2000年以后，相继开发了高光学质量的

Y

232323

OOO

、Lu、Sc和YSAG等透明陶瓷，这

[29–33]

些陶瓷在掺杂稀土离子或过渡金属离子后成功实现

了各种模式的激光输出，并在军事、医疗、高精度

的光谱测量和泵浦光参量放大器等方面具有很大的

应用前景。稀土离子掺杂的Y

23

O

透明陶瓷以其优

良的物化性能和光谱性能得到了广泛的研究和关

注。

1.2 REO

3+

:

Y

23

透明陶瓷

为方是C型立方晶系的稀土倍半氧化物，

YO

23

铁锰矿结构，空间群为Ia3，晶格常数为1.06

nm。

· 480 ·

硅 酸 盐 学 报

2009年

一个完整的Y晶胞含有32个Y和48个O，是以ThO为添加剂在H气氛下烧结制得的，烧结

2322

O

3+2–

晶格中1/4的阴离子格位是空的。Y格位存在两种温度在1℃。随后，1973年、1974年，

3+

不同的格位环境：其中24个Y位于C对称型的

3+

2

无倒置位，和<100>晶轴平行；另外8个Y位于透明陶瓷的激光振荡。这种陶瓷的阈值能量

3+

CJ，光学损耗为0.05cm

3i

对称型的反演对称位，和<111>晶轴平行；两种为16，激光倾斜效率仅

位置的尺寸相近，配位数均为6。Mossbauer谱研究

表明：三价稀土离子平均分布在这两种格位上，没

有优先取舍性，获得高透过率的Y

[34]

由于这些位置受电偶极子光学跃陶瓷，采用了有放射性的

迁选择定律的限制，位于C

22

位的稀土离子对光谱的为烧结助剂。在其后的十多年间，该方面的研

贡献较大。究几乎陷入停顿。

[7]

1963年，Chang等

[35]

报道了焰熔法生长的Eu

:

这是该体系材料中最早的有单晶的激光发射，陶瓷的光学质量得到了极大的提高。2000年以来，

YO

23

关激光输出的报道。此后，Hoskins报道了77日本人采用碳酸盐共沉淀法制粉以及真空烧结制备

[36]

K

时NdY

:

23

O

单晶在脉冲闪光灯泵浦下的激光输出。

1978年，Stone等

[37]

在室温条件下，采用Kr激光作多种模式的激光输出。

为泵浦源，在NdY

::

23

O

单晶光纤中获得了波长为报道了LD泵浦条件下Nd

1.07µm和1.35µm的激光输出。Huber研究组

[38]

经

过多年努力，采用热交换法生长出高光学质量的多透明陶瓷为增益介质，采用807

种稀土离子掺杂的Y

23

O742mW的泵浦功率下，获得了160mW的激光输

单晶，并在部分体系中实现

了激光输出。因为Y的熔点很高为2℃左右，出，倾斜效率为32%，如4所示，获得了1

23

O430074.6nm

比YAG 的熔点高约400℃，而且在2℃附近和1

280078.6nm的激光输出，这是在LD泵浦条件下，

还会发生立方相到高温六方相的晶型转变，两相不

同的膨胀系数导致产生裂纹，给拉制高质量的Y

23

O

单晶造成了相当大的困难；因此，很难制备大尺寸

高质量晶体，很少被用作激光介质。

第一块透明Y

23

O

陶瓷诞生于1969年，由美国

GE(General Electric)公司研发中心首先开发出来，名

[39]

字叫“Yttralox”。

透明YO

23

陶瓷具有很好的光

学、热学、化学和物理特性，包括耐火性高，稳定

性好，强度高而且在很宽的光谱范围内都光学透明，

尤其吸引人的是它可以作为三价稀土离子的基质，

而不被复杂的电荷补偿所影响；此外，透明Y

23

O

陶瓷本身没有双折射现象，并具有一般陶瓷所不具

备的高顺磁和荧光性质。Y

23

O

陶瓷的热导率是

YAG的两倍，是Sr(PO)F的十多倍。 由于在

543

[40]

YO

23

中可被取代的阳离子密度是YAG的两倍，

[41]

比其他激光晶体大很多，因此其活性离子的掺杂浓

度可以很高；此外，Y

23

O

的声子能量很低，最大约

为550。

–1[42]

cm 低的声子能量可以抑制无辐射跃

迁，提高辐射跃迁的几率，从而提高发光量子效率；

因此Y

23

O

透明陶瓷是一种理想的激光增益基质。

有关Y透明陶瓷激光输出的报道是在1972

23

O

年，Anderson等首次报道采用冷等静压工艺制备

[43]

的掺Nd

3+

Yttralox透明陶瓷的激光输出。Yttralox

900～2200

Greskovich等

[44–45]

报道了闪光灯泵浦下NdY

:

23

O–

ThO

2

–1

0.1%，和钕玻璃的阈值能量为9 J及斜率效率为

0.44%相比还有一定的差距。在上述实验中，为了

23

O

ThO

1995年以来，NTVS技术的出现使透明Y

23

O

出高透过率低光学损耗的Y

23

O

透明陶瓷，实现了

2001年，Lu等

[46]

Y

2323

OO

透明陶瓷的激光输出，他们以1.5%NdY

:

nm LD泵浦源，在

首次在NdY

:

23

O

透明陶瓷体系中实现激光输出，其

倾斜效率比1973年提高了320倍。

图4 1.5% Nd陶瓷激光输入–输出曲线

:

YO

23

[46]

Fig.4 Input–output curve of 1.5% NdY

:

23

O ceramic lar

[46]

2003年，Kong等

[11]

报道了YbY透明陶瓷

:

23

O

的激光输出。采用937

nmLD泵浦源，在11W的泵

浦功率下，获得0.75

W的激光输出，倾斜效率为

12.6%，如5所示。

其后的几年，YbY

:

23

O

陶瓷激光器实现了包括

锁模、被动锁模、被动Q开关等多种模式的运行。

2003年，Shirakawa等

[47]

报道了LD泵浦的YbY

:

23

O

陶瓷飞秒锁模激光器：当泵浦功率为2.6

W时，获

第37卷第3期

杨秋红：激光透明陶瓷研究的历史与最新进展

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图5 Yb

:

Y

23

O

陶瓷激光输入–输出曲线

[11]

Fig.5 Input–output curve of YbY

:

23

Oceramic lar

[11]

得中心波长为1

076.5nm，平均功率为420mW，脉

冲能量为4.3

nJ，重复频率为98MHz，脉宽为615 fs

的飞秒激光。2004年，Kong等

[48]

报道的YbY

:

23

O

陶瓷激光器连续波(continuous wave，CW)模式的最

高输出功率为4.2 W，波长为1

078nm，倾斜效率为

29%，他们首次采用GaAs单晶作为可饱和吸收镜，

成功实现了YbY

:

23

O

陶瓷激光器被动锁模的运行模

式，获得脉宽为1.0

ps，重复频率为125MHz的脉

冲激光输出。同年，文献[49]采用GaAs作为输出耦

合器，第一次成功实现了YbY

:

23

O

陶瓷激光器被动

Q开关的运行模式，其平均输出功率为0.51W，Q

开关脉冲的能量为7.7

µJ，最小的脉冲宽度约为50

ns，重复频率为52.6kHz。2004年，上海光机所的

Ma等

[50]

采用从Konoshima化学公司购买的10%Yb

:

YOnm LD为泵浦源，在1077.6

23

透明陶瓷，以973

nm获得了5.5W的激光输出，斜率效率为25%。目

前，同类材料中报道的最高的激光输出功率为10.5

W，

[51]

其激光效率已经超过了相同掺杂水平的Yb

:

YAG单晶激光器。

Yb

3+

是一种非常良好的激活离子，能级结构简

单，电子构型为[Xe]

4132

fF

，仅有一个基态和一个

7/2

激发态，两者的能量间隔为10，所对

2 –1

F000cm

5/2

应的能级跃迁为980

nm，能与InGaAs半导体抽运

光源有效耦合；在晶场作用下，能级产生Stark分

裂，形成准三能级的激光运行机制；

[52]

不存在激

发态吸收、本征量子缺陷低，理论上量子效率高达

90%左右，荧光寿命长，具有较宽的吸收带和发射

带，易实现超短超快激光输出。由于Yb

3+

具有上述

优点，被广泛用于激光介质材料中的激活离子并取

得了巨大成就。目前，Yb

3+

掺杂的YAG透明陶瓷在

1030nm处的斜率效率已高达79%，而Yb

3+

掺杂的

YO

23

透明陶瓷已获得目前为止所有激光陶瓷最高

的斜率效率(82.4%)，等

[53]3+

这些都已远远超过Nd

其它稀土离子掺杂的激光陶瓷材料。

国内在倍半氧化物透明陶瓷的研究主要集中在

纳米粉体的制备上，尽管上海硅酸盐研究所制备的

1

mm厚不同稀土离子掺杂的YO

23

透明陶瓷在可见

光区透过率已达到80%，

[28]

但迄今为止尚未实现

激光输出。值得注意的是，2006年3月，上海大学

在物理学报发表了第一篇以La

23

O

为烧结助剂，在

无压还原气氛低温烧结掺Yb

3+

的氧化镧钇透明陶瓷

的论文，

[54]

YbYLaO(5%Yb)透明多晶陶瓷的

:

2–2x2x3

吸收光谱与发射光谱与日本人报道的YbY透明

:

23

O

多晶陶瓷的实验结果基本一致。此后，对不同稀

[11]

土离子掺杂的氧化镧钇透明陶瓷的光谱性能进行了

较全面的研究

[55–56]3+

发现：Nd透明陶瓷

:

Y

2–2x2x3

LaO

具有目前已知Nd激光陶瓷中最宽的吸收带，是

[57–58]

NdY

:

23

O 可与LD

和NdYAG陶瓷的4～7倍，

:

泵浦源有效耦合且无需水冷，有利于实现激光器件

的小型化。与此同时，探讨了用液相法制备纳米粉

来烧结氧化镧钇透明陶瓷，

[59–60]

改善陶瓷的显微

结构，提高透过率。采用商业微纳米粉为原料来制

备透明陶瓷应该是实现低成本和大尺寸样品的必由

之路。

图6是Yb

3+3+

和Nd掺杂的氧化镧钇透明陶瓷的

照片。YbY

:

2–2x2x3

LaO

透明陶瓷直线透过率达到

81%以上，NdYLaO

:

2–2x2x3

透明陶瓷直线透过率达到

80%(4～5mm厚)。

图6 Yb

::

YLaO(左、4mm)和NdYLaO(右、5mm)

2–2x2x32–2x2x3

透明陶瓷照片

Fig.6 Photoes of YbY

:

2–2x2x32–2x

LaO(left, 4mm) and NdY

:

·

LaO(right, 5mm)transparent ceramics

2x3

YbLaO(x=0.1)透明陶瓷具有比

3+

:

Y

2–2x2x3

YbYO

:

23

高的荧光寿命。长的荧光寿命有利于储能，

这对制备高功率激光器很重要。2007年12月上海

大学研制出我国首个拥有完全自主知识产权的激光

陶瓷材料掺Yb氧化镧钇多晶陶瓷，并获得激光输出。

该掺Yb氧化镧钇透明陶瓷，在未镀膜的条件下，采

用LD端泵在上海光学精密机械研究所实现最高CW

连续激光输出500

[10]

mW，斜率效率为13%， 如图

· 482 ·

硅 酸 盐 学 报

2009年

7所示。该掺Yb氧化镧钇透明陶瓷输出功率和斜效

率与日本2003年报道的YbY

:

23

O

透明陶瓷首次激光

输出的基本一致，而阈值则只有YbY透明陶瓷

:

23

O

的一半。

[11]

最近，Yb

3+

:

Y

2–2x2x3

LaO(x=0.1)透明陶瓷获得高

效连续激光和可调谐激光输出，连续激光输出最大

功率为2.1

[12]

W，斜效率达到52%， 可调谐范围达

到68

nm，如图8和图9所示。

图9 5%Yb

:

Y

1.80.23

LaO

陶瓷可调谐激光输出曲线

Fig.9 Tunable output curve for a 5%YbY

:

1.80.23

LaO ceramic

lar

光学质量的Y透明陶瓷将是要解决的关键问题。

23

O

上海大学的Y透明激光陶瓷必将打破日本

2–2x2x3

LaO

在倍半氧化物透明陶瓷的垄断地位，在国际透明陶

瓷领域上占有一席之地。

2 结 语

图7 Yb透明陶瓷激光输入–输出曲线

:

YLaO

1.80.23

[10]

Fig.7 Input–output curve of YbY

:

1.80.23

LaOtransparent

ceramic lar

[10]

图8 5%Yb陶瓷激光输出功率

:

YLaO

1.80.23

Fig.8 Output power of a 5%YbY

:

1.80.23

LaO ceramic lar

激光透明陶瓷的研究发展历史虽然不长，但以

NdYAG和YbY

::

23

O

为代表的透明陶瓷以其独特的

优势而成为21世纪激光介质研究和开发的重点和

热点，日本在这方面取得了长足的发展。国内的上

海市2007年已将激光透明陶瓷研究列入重大基础

研究，2007年10月10日北京香山科学会议的主题

为“透明陶瓷的制备与光功能调控相关基础科学问

题”，其重点讨论内容也是关于激光透明陶瓷方面。

国产NdYAG和YbY

::

2–2x2x3

LaO

透明陶瓷虽然已相

继实现了激光输出，但国产激光陶瓷无论在样品尺

寸方面还是在样品质量，尤其是在激光输出功率和

斜率效率方面，与日本的激光透明陶瓷还有很大的

差距。在低成本制备高光学质量大尺寸激光透明陶

瓷上，国内材料科研工作者依然是任重而道远。

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1686–1690.

尽管目前Nd/YbY体系已经实现了激光输

:

23

O

出，然而该领域所有有关激光输出方面的报道，所

使用的材料均由日本Konoshima化学公司提供。出

于商业考虑，该公司有关材料制备方面的技术尚未

披露。Y

23

O

的热导率比YAG的高，且热膨胀系数

相近，在激光诱导核聚变和飞秒超短脉冲激光输出

领域有很大的应用前景；因此，如何制备出具有高

第37卷第3期

杨秋红：激光透明陶瓷研究的历史与最新进展

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硅 酸 盐 学 报

第37卷 第3期 2009年3月 (月刊 1957年创刊)

Journal of the Chine Ceramic Society

Vol.37，No. 3，March，2009 (monthly，started in 1957)

主管单位：中国科学技术协会

主办单位：中国硅酸盐学会

主编：黄 勇

Responsible Institution: China Association for Science and

Technology

Sponsor: The Chine Ceramic Society

Editor in Chief: HUANG Yong

Responsible Editor: WU Ling

Edited and Published by Editorial Department of Journal of

the Chine Ceramic Society

Add: No.11 Sanlihe Road, Haidian District, Beijing 100831, China

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本期责任编辑：伍 玲

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刊号：

ISSN04545648

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CN112310/TQ

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