陶瓷激光器：超高功率、超短超强激光输出的又一新秀

王飞1,3,彭跃峰2,3,唐定远2,沈德元1,3*

1 江苏师范大学江苏省先进激光技术与新兴产业协同创新中心

2 江苏师范大学江苏省先进激光材料与器件重点实验室

3 江苏中红外激光应用技术产业研究院

透明陶瓷作为一种新型激光增益介质，近年获得了越来越广泛的关注。它具有良好的物理机械性能和光学特性，还具有强大的制备优势，为高功率、大能量激光技术的发展提供了新的契机，也为激光系统设计提供了更大的自由度。

新型激光陶瓷材料以其独特的优势，已经成为继单晶和玻璃之后又一种优秀的激光介质。

陶瓷激光器的发展

陶瓷激光器是一种以透明陶瓷材料作为增益介质的激光器。与单晶相比，透明陶瓷具有制备周期短和烧结温度低等优势，在激活离子高掺杂浓度下能保证良好的光学均匀性，且容易制备成各种大尺寸复合结构。

1959年，Coble制备出半透明的Al2O3陶瓷，使得陶瓷材料向光学应用迈出了重要一步。初期制作的陶瓷中存在大量的散射源（或称散射点），如晶界、残余气孔、第二相、双折射、杂质和粗糙表面等，因此其散射损耗大且光学质量较差，难以作为激光增益介质。随着陶瓷制备工艺的改进，其光学特性得到逐渐提升。

1964年，Hatch等首次尝试将陶瓷材料作为增益介质并应用于激光器中，在低温条件下利用闪光灯泵浦Dy:CaF2陶瓷获得了激光发射。位于陶瓷晶界处的CaO散射中心使陶瓷在可见光波段的散射损耗高达2%，这限制了激光输出性能。1973年，Greskovich等首次在氧化物陶瓷中获得了激光输出，利用闪光灯泵浦掺杂了1% (原子数分数)Nd2O3的氧化钇，激光斜效率仅为0.1%。

直到1995年，Ikesue等通过改进陶瓷制备工艺，获得了高光学质量的Nd:YAG陶瓷，并以半导体激光作为泵浦源，在1.06 μm波段实现了输出斜效率为28%的连续波激光，其输出斜效率与单晶的输出斜效率相当。

1999年，日本Konoshima公司利用纳米加工技术并结合真空烧结工艺，制备了光谱性能与单晶光谱性能几乎一致的Nd:YAG陶瓷，并成功实现了商业化。2002年，Lu等利用Konoshima公司制作的Nd:YAG陶瓷棒（图1）获得了1.46 kW的激光输出，这是激光陶瓷的输出功率首次突破千瓦，光光转换效率达到42%，非常接近单晶的激光输出性能。

图1 实现千瓦级激光输出的Nd:YAG陶瓷

2009年，NorthropGrumman公司建立了端泵的Yb:YAG薄片激光系统，获得了大于100 kW的功率输出。2010年，Textron公司也利用Nd:YAG板条陶瓷激光器实现了100 kW激光输出。

透明陶瓷激光技术的特色和优势

• 基于陶瓷制备工艺的脉冲激光技术

得益于制备工艺，陶瓷容易制备成大尺寸的激光增益介质，在制备超短超强激光方面具有很大优势。日本研究者利用Nd:YAG/Cr4+:YAG陶瓷薄片，获得了峰值功率为27.7 MW、脉冲能量为13.2 mJ、脉冲宽度为476 ps的脉冲激光输出。

在大能量的纳秒级激光技术方面，陶瓷同样获得了一些令人瞩目的成果。2017年，捷克HiLASE中心利用由6片Cr:YAG包边的Yb:YAG矩形激光陶瓷薄片（图2），获得了平均输出功率超过1 kW、单脉冲能量为105 J、脉冲宽度为10 ns的激光。

图2 实现105 J单脉冲能量的Yb:YAG陶瓷薄片组

单晶介质也经常被用于高重复频率、大脉冲能量的激光系统中，但其有限的增益介质体积是制约功率提升的重要因素。例如，要制备单脉冲能量为100 J的纳秒激光脉冲，要求增益介质尺寸大于5 cm，以对抗有限的激光损伤阈值。得益于陶瓷制备工艺的优势，透明陶瓷能够获得单晶介质无法达到的大尺寸。因此，在实现超高功率、超短超强激光输出方面,透明陶瓷材料大有可为。

• 基于陶瓷制备优势的倍半氧化物增益介质

倍半氧化物熔点高，物化性能优异，声子能量相对较低。与YAG相比，倍半氧化物（Lu2O3、Sc2O3和Y2O3）具有更高的热导率，更适合应用于高功率激光领域。倍半氧化物材料的熔点很高（>2400 ℃），很难通过单晶生长工艺进行制备，但其相变点远低于熔点温度，可以通过陶瓷制备工艺在比较低的温度下（1500~1700 ℃）实现倍半氧化物透明陶瓷的制备。

江苏师范大学与南洋理工大学合作制备了多种激活离子掺杂的倍半氧化物陶瓷材料，并在高功率激光输出方面开展了大量研究。2017年，研究者利用Tm:Y2O3陶瓷在2050 nm处分别获得了7.25 W的连续波和115 ns的脉冲激光输出。2019年，研究者利用未镀膜的Ho:Y2O3透明陶瓷，在1931 nm掺Tm光纤激光泵浦条件下，获得了113.6 W、2117 nm的连续激光输出，激光斜效率达到55.6%。

研究者对制备的倍半氧化物陶瓷材料进行了扫描电镜（SEM）成像，如图3所示，未观察到残余气孔、二次相或光学不均匀现象，说明陶瓷的散射损耗很小，具有良好的光学质量。激光输出实验也进一步证明了倍半氧化物陶瓷在高功率、高效率激光增益介质方面的应用具有巨大潜力。

图3 Ho:Y2O3陶瓷的透过率曲线及SEM图像

• 基于陶瓷制备优势的3 μm激光技术

目前，制备3 μm波段激光主要有三种方法：非线性频率转换、半导体激光技术和离子掺杂型激光器。

利用掺Er的透明陶瓷制备3 μm波段激光属于最后一种方法，该方法是一种直接高效获得中红外激光的方法。3 μm波段Er:YAG激光获得了广泛的应用，目前已有成熟的产品用于医疗领域。但是，由于 YAG 基质的声子能量较大 (857cm-1)，Er:YAG能级间的无辐射跃迁几率高，上下能级的寿命差距大， 因此，要在YAG中实现3 μm激光发射，需要提高铒离子的掺杂浓度。

在掺铒的倍半氧化物材料中，5%~7%的低掺杂浓度（原子数分数）就已经能够获得非常理想的3 μm波段激光输出。2010年，美国陆军实验室在Er:Y2O3陶瓷激光器中获得了2.71 μm波段的380 mW激光输出。2018年，厦门大学在被动调Q的Er:Y2O3陶瓷激光器中获得了平均功率为233 mW的脉冲激光输出，单脉冲能量为7.92 μJ。

• 复合结构陶瓷激光技术

烧结工艺制备的陶瓷材料容易被制备成各种复合结构。

图4展示了一些已经得到应用的激光陶瓷的复合结构，包括多层结构、芯包结构、平面波导结构及梯度掺杂结构等。利用陶瓷制备工艺获得的陶瓷复合结构，其粒子的掺杂浓度呈近高斯分布。通过控制激活离子在芯层中的掺杂分布，可以达到控制激光输出模式的目的。

图4 透明陶瓷结构及芯包复合结构陶瓷

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）在SSHCL系统中采用复合结构陶瓷来抑制放大的自发辐射效应（ASE）。在Nd:YAG陶瓷片的四周烧结Sm:YAG陶瓷片以作为边缘包层，采用边缘泵浦方式，Sm:YAG边缘包层不吸收泵浦光，有利于减轻波前畸变，该复合陶瓷有效抑制了ASE，获得了67 kW的激光功率输出，并有效提高了光束质量。复合陶瓷技术不仅有利于激光系统的热管理，还可以简化激光系统结构。通过陶瓷结构优化设计，可以实现以往需要额外元器件才能实现的激光输出性能控制。

总 结

自20世纪60年代陶瓷首次作为激光增益介质以来，透明陶瓷已被广泛应用于激光技术的各个领域，取得了令人瞩目的成就。在高功率、大能量激光输出领域，需要通过不断增大增益介质口径和优化热管理来提高输出功率水平。透明陶瓷材料易于被制备成各种大尺寸复合结构，是一种优秀的激光增益介质。

作为一种新型激光增益介质，透明陶瓷材料仍面临很多挑战。从性能角度讲，需要不断提升陶瓷的物理机械性能和光学性能，特别是大尺寸激光增益材料的均匀性。从应用角度讲，陶瓷材料面临批量生产工艺的稳定性和成本控制问题，有些陶瓷 材料存在光致暗化（色心）现象。陶瓷区别于单晶的制备优势使其在激光技术领域大有可为。陶瓷材料作为激光增益介质也使得激光系统设计方面具有更大的自由度和更广阔的发挥空间。

本文改写自《光学学报》中刊登的“基于透明陶瓷材料的激光研究进展”一文