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[转载]光波导激光陶瓷的进展与展望
Xing2 2018-4-3 14:34
上海硅酸盐研究所李江研究员课题组在2018年第3期发表了“ 光波导激光陶瓷的研究进展与展望 ”一文,该文对光波导激光陶瓷的研究进展及其设计原理、制备方法和材料性能做了综述和介绍,最后对其做了展望和分析。 随着人们对激光器应用的不断拓宽,要求先进的固体激光器能够实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出且具有紧凑的系统结构。 作为对激光产生起决定性作用的是激光增益介质,它的质量优劣将直接影响到器件的性能,是激光技术发展核心和基础。透明陶瓷不仅具有与单晶相媲美的激光性能,而且还可以实现与玻璃相似的大尺寸制备和高浓度掺杂,再加上其特有的高温机械性能和结构可设计性,被认为是21世纪最有发展前途的激光材料之一。目前,制约固体激光器发展的一个重要因素是其热效应,包括热应力、热透镜效应、热致双折射效应以及热致退偏等,限制了激光器的输出功率,降低了激光的光束质量,甚至可能导致固体激光增益介质的破坏。 因此,科研人员一直在研究不同结构的激光介质以减轻热效应。其中,光波导激光陶瓷具有泵浦阈值低、散热高效、结构紧凑等优点。此外,还有利于激光器的小型化和集成化,是一种比较理想的全固态激光器的增益介质。 光波导激光陶瓷的原理及分类 光波导基于斯涅尔定律,入射光全部反射到折射率大的介质并在其内部经过多次全反射传播,而折射率小的介质内将没有光透过。以典型的平面波导为例,如图所示,中间为波导层,一般厚度为5 μm-200 μm,折射率为n2,上面的覆盖层折射率为n3,下面的衬底层折射率为n1。为了能实现光波导,须满足n3≤n1<n2,当覆盖层与衬底层材料相同时,此时为对称平面波导,当n3<n1时,则称为非对称平面波导。 光波导根据对光不同维度的限制主要可以分为平面波导、通道波导和圆柱型波导等。平面波导激光器除了在泵浦耦合上的优势,还具有大的横纵比,可以采用大面高效地散热,此外,平面波导激光器只产生一维的热流方向和热梯度,有利于确定双折射方向,从而避免偏振损耗,可以更有效的抑制热效应。 平面波导只能在Z方向上对光强有限制作用,是结构最简单和最常用的光波导。而在某些实际应用中,需要在Z、X两个方向上限制光的传播,即通道光波导。通道型波导避免了平面波导在非波导方向的衍射和扩散现象。通道波导主要有条型波导、脊型波导、嵌入型波导和覆盖条型波导等结构。 圆柱型波导中最经典的应用即双包层波导光纤,光纤激光器中增益介质的表面积/体积比是传统块状固体激光器的1000倍以上,因此具有出色的散热性能,此外还有光光转换效率高、光束质量好、发热量小、泵浦阀值低、易于维护以及紧凑轻量化等优点。 光波导陶瓷的最新进展 为了充分开发陶瓷波导激光的巨大潜在应用,其中的重要环节是其制备技术。光波导激光陶瓷的制备方法可以分为两类:一类是改变激光增益材料本身折射率的制备技术,主要有离子注入技术和飞秒激光写入技术,此类方法更易实现近衍射极限的单模激光输出;另一类是通过组合不同折射率材料而获得波导结构的制备方法,主要有热键合和陶瓷成型结合共烧结技术。此外,挤出成型结合烧结工艺使得激光陶瓷光纤成为可能 1)离子注入 高能离子注入是一种材料改性和掺杂技术,对于波导激光陶瓷而言,其作用机理是高能离子不断与衬底材料的原子核以及核外电子发生碰撞,并因能量逐步消失而停止,造成晶格损伤或改变材料的自发极化行为,从而改变材料的折射率,在一定区域形成波导。2014年,Tan等采重离子C5+辐照方法配合金属盖板制备了Nd:YAG陶瓷光波导激光器,并实现了输出功率72 mW,斜率效率~30.7%的连续激光输出。 2)飞秒激光写入 飞秒激光制作光波导是将飞秒激光直接聚焦到增益介质内部,通过激光与介质材料的相互作用以及介质材料内部不同方向、不同层次的扫描产生的内部微结构来制作各种波导结构,该技术可以实现真正意义上的三维立体加工。2016年,Salamu等采用飞秒激光技术在1.1 at.% Nd:YAG陶瓷中制备了嵌入式圆包层波导并实现了1.06 μm处输出功率为3.1 W,对应的斜率效率为43%。 3)键合技术 键合是将波导层与包层材料的表面进行特殊处理并精细抛光,使两块材料能够靠范德瓦尔斯力结合在一起。键合技术是制备双包层波导结构激光器的重要方法。Ng等采用键合技术制备了双包层MgAl2O4/YAG/Nd:YAG/YAG/MgAl2O4平面波导材料并实现了946 nm高效平面波导激光输出,最大功率为105 W,光光转换效率和斜率效率分别为50%和54%,光束质量M2=3.2×2.4。 4) 流延成型结合共烧结技术 流延成型工艺精度高,制备的流延膜厚度可控,一般在几微米到几毫米,适合叠层不同结构形式,而在平面波导激光陶瓷的设计和制备中要求各种形状和尺寸的波导层流延膜,流延成型很容易满足这一要求。 中国科学院上海硅酸盐研究所首次采用流延成型结合真空烧结工艺制备了YAG/Nd:YAG/YAG平面波导激光陶瓷,经中国工程物理研究院应用电子学研究所高清松研究员团队验证,获得了100 Hz重复频率下327 mJ单脉冲能量的激光输出,该工作是国际范围内采用非水基流延成型制备的该种陶瓷平面波导达到的最大单脉冲能量输出。 Yb:YAG具有能级结构简单、单位面积增益高、荧光寿命长、吸收发射带宽以及可以高浓度掺杂等优点。此外,随着激光二极管(LD)不断发展,泵浦功率不断提高。解决了Yb:YAG泵浦阈值高、不易泵浦的缺点,使之成为高功率、高效率LD泵浦激光器的理想增益介质。华东师范大学采用中国科学院上海硅酸盐研究所研制的平面波导结构YAG/10 at.%Yb:YAG/YAG透明陶瓷实现了斜率效率高达66%、输出功率为3 W的连续波导激光输出。 5)挤出成型结合烧结工艺 在陶瓷粉末中加入溶剂、粘结剂和塑化剂使之成为可塑性的浆料,通过特定的挤出装置获得纤维混合物,随后经干燥、排胶和烧结等可获得激光陶瓷光纤。近年来,美国空军实验室开始了挤出成型结合烧结工艺制备激光陶瓷光纤的研究。2017年,他们采用SF57玻璃对Ho:YAG陶瓷光纤包层后进行了激光实验,实现了在2091 nm处最大功率为701 mW、斜率效率为7%、泵浦阈值小于500 mW的激光输出。 存在的问题及展望 通过离子注入和飞秒激光写入技术获得的波导激光陶瓷折射率空间分辨率高,尽管这两种工艺均需要昂贵的设备,制备成本较高,仅限于实验室制备,但是考虑到该技术所具有的明显优势,有必要对其进行深入的持续研究。 对于圆柱型波导激光陶瓷,挤出成型结合烧结工艺使得激光陶瓷光纤成为可能,但需要进一步完善其制备工艺,获得高质量的激光陶瓷光纤;热键合和流延成型结合共烧结技术是获得平面波导激光陶瓷的主要方法。热键合工艺简单,然而,芯层加工难度大、键合技术的界面问题和键合材料的机械强度是目前亟待解决的问题。流延成型具有精度高、厚度可控、可连续化生产的优点,在平面波导陶瓷的制备中得到了广泛的应用。考虑到该工艺的巨大发展前景,未来的研究方应集中于:(1)在获得高光学质量样品的同时减少波导层的厚度,即抑制波导层激活离子的扩散;(2)从基质材料角度对波导激光陶瓷进行优化,如采用热导率更高的倍半氧化物透明陶瓷进行波导结构制备。
个人分类: 杂志社|849 次阅读|0 个评论
李瀚宇的成长记录
lijiang1977 2010-7-28 14:22
2010年7月20日,一个名叫李瀚宇、体重为3.468公斤的小生命悄然降落到人间,作为父亲的我准备用图象记录宝宝的成长轨迹。 2010年7月20日-国际和平妇幼保健院(手机拍摄) 2010年7月21日-国际和平妇幼保健院 2010年7月22日-国际和平妇幼保健院 2010年7月23日-我天生会游泳! 2010年7月24日-喝奶多了脸通红 2010年7月25日-背后有人撑腰坐得也直些 2010年7月26日-看我睡得多有型! 2010年7月27日-换个姿势睡更舒服! 2010年7月27日-俺要放眼看世界了! 2010年7月28日-俺还是觉得睡比较舒服! 2010年7月29日-瞧我身材多棒! 2010年8月1日-我就睁大眼睛看着你! 2010年8月2日-我梦见美女了! 2010年8月4日-我就想睡觉! 2010年8月5日-我也有抓狂的时候! 2010年8月5日-爸爸把我的小脑袋固定住了! 2010年8月31日-众星捧月! 2010年9月13日- 李瀚宇乐了! 2010年9月15日- 李瀚宇和父亲 2010年10月5日- 李瀚宇和透明陶瓷在一起
个人分类: 科研项目|6282 次阅读|3 个评论
[转载]2010年国际激光陶瓷会议(LCS2010)邀请报告
lijiang1977 2010-7-15 15:01
Confirmed Invited Speakers Author Title Abstract Boulon, G. Segregation phenomenon of rare earth dopants in ceramics We analyse segregation phenomenon of Ce 3+ (first position) and Yb 3+ (last position) rare earth dopants in grain and grain boundaries of oxide optical ceramics from imaging confocal microscopy and transmission electronic microscopy. Interpretation is related with growth from liquid phase. Dong, J. Comparative investigation of cw and Q-switched laser performance of Yb:YAG ceramics and crystals Gaume, R. Characterization of absorption losses in YAG laser ceramics We will report on comparative thermalized absorption measurements obtained in various YAG transparent ceramics and single-crystals. Correlations with lattice defects and impurities content will be discussed. Jaque, D. Microstructuration techniques for the development of minituarized Nd:YAG ceramic lasers The last developments achieved in the micro-structuration of Nd:YAG ceramic lasers for their incorporation in active photonic devices will be discussed. We will pay special attention to the fundamentals of the different techniques used up to now. Kaminskii, A. A. Where did the fifty-year search for laser crystal and ceramics take us? During half a century history of the laser era the search for laser crystals and ceramics has brought many important results. They have largely determined the development and formation of laser physics. Applications of laser crystals and ceramics are well known. Some of them (mainly with Ln 3+ lasants) in the report would be given special attention. Unfortunately, the further success of the search and application of laser crystal materials prevented a number of issues that have not been fully resolved over the years. Some of these problems will be considered in the report taking into account modern trends of laser physics and nonlinear optics. Kawanaka, J. High pulse energy and high average power laser by using a composite ceramic Diode-pumped solid-state laser has been developed by using a cryogenic composite ceramic. A novel laser amplifier arrangement of total-reflection active-mirror was proposed for high-pulse-energy and high-average-power simultaneously. The regenerative amplifier was demonstrated and a joule-class multi-pass amplifier is under construction. Khazanow, E. Specificity of thermal effects in laser ceramics as compared to single crystals: theory and experiments We review theoretical predictions and experimental confirmations of strong statistical dispersion of thermal lensing and thermally induced depolarization in ceramics. This effect is specific to ceramics and has no analogues either in glasses or in single crystals. Kuretake, S. Nd 3+ -doped Ba(Zr 4+ ,Mg 2+ ,Ta 5+ )O 3 ceramics as laser materials We report transparent Nd 3+ -doped Ba(Zr,Mg,Ta)O 3 (Nd:BZMT) ceramics as laser materials. The results of the structural analyses and the fluorescence properties in Nd:BZMT fabricated by adjusting the BZMT composition in order to substitute Nd dopants at different crystal sites will be reported. Menke, Y. Transparent ceramics for optical and fluorescence applications In this paper new developments in the fabrication of high refractive index materials with cubic crystal structure as possible matrix material for rare-earth activated compounds are described. Related applications in both optical and fluorescence application fields are illustrated. Shimonya, Y. Strength and strengthening of polycrystalline (ceramic) laser components Crystalline laser components may fracture under high thermally induced stress. In the present paper, ways to evaluate the tensile strength of crystalline and poly-crystalline laser components will be discussed, as well as paths to enhance their strength. Strk, W. Upconversion phenomena in Er-doped Yb:YAG nanocrystalline powders and ceramics Taira, T. Anisotropic ceramics as a next generation laser Transparent polycrystalline ceramics for laser applications have been demonstrated to offer tremendous processing and design advantages relative to Czochralski-grown single crystals. After the review of conventional ceramic lasers, we'd like to discuss the next generation of ceramic lasers based on anisotropic ceramics. Tanabe, S. Optical properties of transparent GdYAG:Ce ceramics for white LED Transparent Ce 3+ -doped GdYAG ceramics were fabricated by vacuum sintering of powders prepared by co-precipitation methods. By exciting with a blue LED, the ceramics on top showed excellent luminous efficacy and good color rendering as a white LED. In the photoluminescence spectra, the wavelength shift of the Ce 3+ :5d -4f transition was observed by Gd substitution of Y-site, as well as in the photoluminescence excitation spectra. Ueda, K. I. will be reported later Wei, G. Optical ceramics for solid state lighting Solid-state lighting utilizes new optical ceramics such as Ce-doped garnets to either combine emissions from the LED and ceramic for high-brightness white light, or fully convert to pure color. Precision fabrication achieves efficient luminescent ions, host lattices, and favorable absorption and emission. Weichmann, U. Ceramic materials for visible solid-state lasers For consumer applications of lasers, ceramic laser materials play an important role with respect to the integration aspects of the laser setup. In this contribution we will present results from our work on integrated green efficient lasers for projection systems. Zhang, J. Processing control for fabricating high quality Nd:YAG ceramics In this research, the effects of stoichiometry ratio, sintering aids, and sintering conditions on microstructure and further the optical quality of the sintered ceramics will be discussed. By optimizing the processing parameters, high optical quality YAG ceramics are fabricated successfully. 引用: https://en.fh-muenster.de/iot/LCS-2010/lcs-10_programme.php?p=7,0#a3
个人分类: 科研项目|4502 次阅读|2 个评论
ASSP2008
qijianqi 2009-12-1 14:46
一直想把自己的博客写起来,但一直没有时间来写,总以自己忙找借口,其实真的都是借口。以后坚持每天写。 昨天晚上看了一篇发表在Nature Photonic上的一篇文章,仔细一看是2008年的,原来是对ASSP2008报道,ASSP即为Topical Meeting on Advanced Solid-state Photonics, 会议主要讨论了固体激光和非线性光学材料,其实会议主要还是讨论了YAG陶瓷的发展,当然现在应该算是旧闻了。 YAG不是我做的主要材料,但是我们组上做的主要材料之一。做的水平和国外还有很大的差异,其实有些时候我也是觉得,国内设备也不算差,为什么一直水平就上不去啊,太浮躁了?
个人分类: 生活点滴|3523 次阅读|0 个评论
“大牛”论激光陶瓷
lijiang1977 2009-8-2 20:55
陶瓷激光材料 (Ceramic laser materials) AKIO IKESUE*, YAN LIN AUNG 从日本科学家 A.Ikesue 博士首次报道 Nd:YAG 透明陶瓷实现连续激光输出至今已经有 14 个年头了,期间激光陶瓷领域也得到了迅猛的发展,但目前代表激光陶瓷最高水平的仍然是 A.Ikesue 博士的 Word Lab 公司和日本神岛化学公司( Konoshima )。 2008 年, A.Ikesue 博士在 Nature Photonics 上发表了题为 Ceramics laser materials 的综述性文章( Nature Photonics/ VOL 2/ DECEMBER 2008 ),让我们随着他的思路来回顾一下激光陶瓷的发展历程,分享激光陶瓷领域的重大结果,并且展望一下激光陶瓷的前景。 固体激光器已经被广泛应用在金属加工、医疗设备、激光打印、环境检测和光学器件上,同时它也是下一代激光核聚变的点火装置。单晶和玻璃是传统意义上的固体激光增益介质,早在 1960 年,梅曼( Maiman )制成了世界上第一台激光器 红宝石激光。自从 1964 年 Nd:YAG 单晶在室温下实现连续激光输出后,使用单晶作为激光增益介质的固体激光不断向前发展,然而传统的单晶激光增益介质在技术和生产成本上仍有很多问题有待解决。 最近,陶瓷激光技术由于具有单晶激光不可比拟的优点而成为了一种新型的,具有潜力的激光材料。首先,激光陶瓷能够做到大尺寸制备并实现高功率激光输出。其次,能够作为高光束质量光纤激光的增益介质和复杂结构的增益介质,而复合结构则是单晶和玻璃制备技术难以实现的。激光陶瓷还能实现激活离子的高浓度、均匀掺杂。同时,陶瓷制备技术适合开发新型的激光材料,如倍半氧化物体系,这些材料用传统的单晶生长技术很难制备。此外,采用陶瓷烧结技术能够制备新型结构的单晶,这种源于陶瓷的单晶具有很高的抗激光辐照能力,很长的使用寿命和非常高的激光功率密度。这种新型的激光增益介质不能用传统的单晶生长技术来制备,并且很可能具有新的激光性能。 早在 1964 年, Dy:CaF 2 陶瓷首次在低温下用做激光增益介质。 20 世纪 70 年代, Nd:Y 2 O 3 -ThO 2 陶瓷实现了脉冲激光输出。虽然这代表了陶瓷激光技术的开端,但是低下的激光振荡效率并没有引起材料和激光科学家的关注。在 20 世纪 80 年代,开发出来的半透明 YAG 陶瓷由于光学质量不高而难以现实高效激光输出。 20 世纪 90 年代早期, Nd:YAG 陶瓷在日本成功实现了连续激光输出,然而这个结果并没有被广泛关注直到 1995 年 A.Ikesue 博士在美国陶瓷学会会刊上报道结果。从此以后,激光陶瓷领域迅速发展,不光在日本,中国、美国和欧洲很多国家的科研工作者都投身到激光陶瓷的研究中去,大家关注的不仅是激光陶瓷的制备技术,还包括未来固体激光技术的发展。 高效激光振荡 如图 1a 所示,陶瓷是由很多取向无序的微晶所组成。半透明陶瓷的制备始于 20 世纪 50 年代,但是具有高效激光振荡的透明陶瓷却是从 20 世纪 90 年代才出现的。理由很简单,半透明陶瓷中包含很多散射中心,如晶界相、残余气孔和第二相,这些散射中心能够显著的引起散射损失,并最终使得在半透明陶瓷增益介质不能实现激光振荡。 1995 年 A. Ikesue 博士在美陶中报道的 Nd:YAG 陶瓷具有与单晶相近的激光性能。文中报道的 Nd:YAG 透明陶瓷的显微结构与传统的半透明陶瓷有明显的区别。从图 1b 和图 1c 中可以看出,这些材料中没有双折射和折射率的变化,表明透明陶瓷的光学质量很高。在图 1d 和图 1e 的微观照片中可以看出,没有残余气孔、第二相和光学不均匀区域。从图 1f 和图 1g 可以发现,原子尺度的晶界非常干净,在晶粒内部的点缺陷、线缺陷和位错缺陷已经控制在很小的程度。 这些结果表明,成型技术对获得陶瓷 完美 显微结构是至关重要。一旦掌握了制备具有 完美 光学均匀性和显微结构陶瓷的技术,发展超低散射损失陶瓷的道路就会变得平坦,具有跟单晶激光性能相媲美的高效陶瓷激光增益介质也能顺利开发出来。然而,由于多晶陶瓷固有的物理特性,即便是具有理想显微结构的陶瓷,由于晶界的存在而对激光的高振荡效率、高光束质量会有影响。 Figure 2 Laser oscillation using optical-grade Nd:YAG ceramics. a, Experimenta set-up for c.w. and quasi-c.w. laser oscillation performed in 1991 using optical-grade Nd:YAG ceramics. An Ar-ion laser was used for side-pumping and a laser diode with an operation wavelength of 808 nm was used for end-pumping. b, C ontinuous-wave laser performance achieved in 1995 (ref. 39). Comparison between polycrystalline ceramics (pale blue) and commercial single crystal (red) shows that the laser performance of polycrystalline ceramics is equivalent to that of single crystals. Lines show best fit to the experimental results. Reprinted with permission from ref. 39. c, Demonstration of blue and green laser oscillation using Nd:YAG ceramics. The grain boundaries in the ceramics do not affect the laser oscillation mode or short-wavelength laser oscillation. Reprinted with permission from ref. 71. 图 2a 是 1991 年首次用光学级别的 Nd:YAG 陶瓷实现连续和准连续激光输出的实验装置,分别用 808nm 的 Ar 离子激光和激光二极管( LD) 用侧面和端面方式泵浦。为了比较单晶和陶瓷的激光性能,用激光二极管端面泵浦这两种激光增益介质。结果表明,陶瓷的激光性能与单晶几乎相同。目前,我们使用 Nd:YAG 陶瓷作为激光增益介质,激光输出的斜率效率高于 60% 。陶瓷激光增益介质的横模是高斯分布的单模,而纵模也可以形成单模。陶瓷的晶界处有位错(晶粒取向不同)存在,晶界处的散射 也就是瑞利散射对陶瓷激光增益介质的影响是致命的。陶瓷激光增益介质产生的单模激光证明晶界不会影响相干光束的产生和放大。其他研究团队也报道了使用陶瓷激光增益介质实现了高效激光输出。图 2c 是使用 KTP 和 KN 非线性单晶二次谐波产生器生成的蓝绿陶瓷激光,这些结果也表明陶瓷晶界上的散射并不会影响激光模式和短波激光振荡。 陶瓷技术的现状 单晶生长技术是一个把原料先熔化然后重新固化的过程,这种方法制备的材料种类是非常有限的。由于需要把原料加热到熔点以上,单晶生长技术存在一些问题需要解决。譬如在单晶生长的过程中,激光激活离子在固液界面上的熔解和偏析都会引起热量的波动。熔融生长制备的单晶通常存在核心、条纹、小面和光学畸等,这些缺陷会引起光学不均匀。然后提升熔融生长单晶的光学质量几乎不太可能。此外,熔融工艺过程中,为了防止断电和地震的突发事件,需要建立备用系统。这样同时会增加能耗和价格,并降低产量。 1995 年, A.Ikesue 博士使用多晶 Nd:YAG 陶瓷作为激光增益介质并开发了陶瓷激光,这证明陶瓷材料能构克服熔融生长单晶技术在技术和经济上的局限。 1997 年,使用高浓度掺杂 Nd:YAG 陶瓷作为微片激光介质实现了单模激光振荡,而使用单晶技术不容易实现高浓度掺杂。接着 Nd:YSAG 和 Yb:YSAG 陶瓷实现了超短(皮秒和飞秒 ) 脉冲输出。最近几年,陆续有一些有关大功率激光输出的有趣报道。 2001 年,使用 Nd:YAG 陶瓷棒成功实现了 1.4kW 的连续激光输出,然后激光效率比相应的单晶要低 15% 。神岛化学公司使用大尺寸的 Nd:YAG 陶瓷( 100mm 100mm 20mm ) 实现了 67kW 的准连续激光输出,见图 3 。 我们必须认识到高功率激光服役条件下,陶瓷的晶界处会引起破坏。至今仍然没有报道关注激光陶瓷的使用寿命,但是总的来说,陶瓷技术并不会限制激光增益介质的尺寸。因此大尺寸对发展高功率激光是一个非常重要的优势。虽然陶瓷中的晶界被认为是一种结构上的缺陷,但是这种缺陷却能够显著地提高激光材料的断裂任性和抗热震性。 新型激光增益介质和功能化 使用陶瓷技术,可以在远低于熔点的温度下短时间烧结高熔点的固体颗粒。倍半氧化物(如 Y 2 O 3 、 Sc 2 O 3 和 Lu 2 O 3 )是一种有前景的激光材料,但是它们的熔点非常高( 2400 摄氏度)并且相变点低于熔点问题。采用陶瓷技术可以制备这种体系的激光材料,由于倍半氧化物的高热导和大尺寸制备的可行性,这些体系已经用来开发像钛宝石那样的高功率、超短脉冲激光。关于倍半氧化物陶瓷激光的结果已有报道,例如用热等静压工艺合成了 Nd : HfO 2 -Y 2 O 3 透明陶瓷;用 Er:Sc 2 O 3 透明陶瓷实现了斜率效率高达 77% 的激光输出;通过控制 Nd:Y 2 O 3 的对称性,开发了 5nm 的宽幅激光,而通常的 Nd:Y 2 O 3 激光的带宽只有 1nm 。基于这个法则,倍半氧化物透明陶瓷在开发可调谐和超短脉冲激光具有很大的潜力。用克尔棱镜锁模技术, Yb:Lu 2 O 3 和 Yb:Sc 2 O 3 陶瓷激光可以获得短脉冲激光振荡,其中 Yb:Sc 2 O 3 陶瓷激光的脉冲宽度为 92fs ,平均输出功率为 850mW 。 考虑到陶瓷制备技术能为增益介质提供复杂的结构和形状,而这一点在单晶制备技术中是没法实现的。图 4A 是目前激光陶瓷复合结构的几种形式,表 1 是上面几种复合结构的激光性能。最近几年,制备尺寸为几十毫米真正具有球形的 Nd:YAG 微球激光具有很大的挑战。图 4B 是核心掺杂 Nd 离子的核壳复合结构。复合结构陶瓷激光在外形上与单晶的类似,但是就技术上的优势而言,两者还是有区别的。就单晶来讲,掺杂 Nd 离子的分布是单一的,而陶瓷复合结构中激活离子接近理想的高斯分布,这种激活离子的分布有利于生成高斯模式的激光。通过控制激活离子在激光陶瓷中的分布,将来可以获得想要得到的激光模式。 图 5a 是 Nd 离子在激光增益介质长度方向的分布,可以看出激活离子在陶瓷烧结体内按函数平滑分布。在激光服役条件下,控制激光增益介质的温度是至关重要的,因为热透镜效应会损害激光振荡效率和光束质量。图 5b 是采用端面激光泵浦方式,激活离子均匀掺杂的传统 Nd:YAG 单晶和激活离子呈浓度梯度分布的 Nd:YAG 陶瓷的热分布曲线。在激光服役条件下,采用红外热观测仪定量分析激光增益介质中的热量分布。在 Nd:YAG 单晶中,在接近边缘区域有非常高的热量产生。而在复合结构激光陶瓷中,由于激活离子的浓梯分布抑制了大量的热量产生。设计激光服役条件下增益介质的热分布仍在进一步研究之中,并会在不久的将来报道。 技术目标 传统熔融生长单晶制备技术有关的其中一个重要问题是很难在分凝系数小的基质材料中实现激活离子的高浓度均匀掺杂。例如在 YAG 基质中 Nd 离子的分凝系数为 0.2 ,所以只有大约 1.0at% 的 Nd 离子能够在基质中均匀掺杂。即使高浓度掺杂的 Nd : YAG 单晶能够制备,其光学质量也不是很高。生长的晶体中可能包含小面并且在棒的长度方向存在浓度梯度。这些单晶生长技术上的问题到目前仍没有得到解决。 Fig. 6 The growth of SSCG single crystaland its laser performance 2005 年,采用陶瓷烧结技术, Nd : YAG 单晶、 Nd : YAG 单晶微球和复合结构单晶已经成功制备。图 6a 是采用固相晶体生长技术制备单晶的示意图。具有相对比较小晶粒尺寸的 Nd : YAG 陶瓷和 Nd : YAG 籽晶键合在一起,通过高温热处理方式,陶瓷中的小晶粒被 吸收 到籽晶中去。在固相晶体生长( SSCG) 技术中,当单晶的表面能远小于陶瓷小晶粒的表面能时就会发生连续的晶粒生长,多晶陶瓷便会转变成单晶材料。用固相晶体生长( SSCG) 技术制备的高浓度掺杂 Nd : YAG 的显微结构和外观图如图 6b , c 所示。这种无残余气孔陶瓷和 SSCG 单晶(组分均为 2.4at%Nd:YAG) 的激光性能如图 6d 所示。虽然 SSCG 单晶的激光损伤阈值没有测试,但是由于晶界的减少激光转化效率得到了提高。用烧结技术制备的 SSCG 单晶没有传统熔融法制备单晶的光学不均匀区域(如核心和小面等)。在多晶陶瓷中,大量的缺陷存在于晶界处,这些缺陷在超高功率和超长时间激光服役条件下会引起损伤。然而用烧结方法制备的 SSCG 单晶适合用于制备高性能激光增益介质,其性能超越多晶陶瓷激光增益介质和用传统晶体生长技术制备的单晶,如高掺杂 Nd : YAG 单晶、复合结构单晶和单晶微球。 目前制备的激光陶瓷的晶体结构主要局限在立方晶系上,然而单晶的烧结制备技术不仅适合于立方结构激光增益介质,同样也适用于六方和四方晶系的激光增益介质。用烧结技术制备单晶始于单晶铁酸盐的制备,但是激光级别的单晶一直没有获得。现在, SSCG 技术在制备大尺寸单晶、复合结构单晶和直径为数十微米球形(用于回音廊模激光)。另一个非常重要的单晶制备的关键是陶瓷具有纳米结构。例如,具有六方晶系的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸一般是从几个微米到几十微米。这种氧化铝陶瓷直线透过率低并且具有双折射,所以不能用于激光增益介质。然而,如果晶粒尺寸远小于激光振荡波长的纳米氧化铝陶瓷能构制备,这个纳米结构的氧化铝陶瓷将来可以用作激光基质材料。 激光陶瓷的局限性和解决方法 尽管陶瓷技术有上述优点,但是陶瓷技术也并不是完美的。存在的问题包括:用于开发高功率激光的大尺寸激光增益介质的制备;稳定的激光运作;晶界的存在对激光损伤的影响;非立方结构激光增益介质的开发。制备陶瓷所使用的原料通常为亚微米和纳米级别的粉体,所以这些粉体的处理十分困难。特别在制备陶瓷激光增益介质的工艺中,具有非常良好堆积性能的粉体制备是关键。粉体堆积不均匀会在烧结体中产生残余气孔(散射中心)。然而,制备没有任何不均匀的粉体是非常困难的。因此接下来激光陶瓷制备技术革新主要集中在具有玻璃激光增益介质尺寸的陶瓷激光增益介质的制备,要解决这个问题有两个方法,一个是建立一套精确的陶瓷成型工艺,另一个是把小尺寸激光增益介质键合成大尺寸。陶瓷是由不同取向的晶粒所组成,因此杂质容易聚集,通常在晶界处缺陷的密度高很多。当用光学 X 射线断层摄影术观察陶瓷的晶界,发现在晶界处存在大量的光学散射中心。为了提高激光转化效率、减少光学损耗,晶界处的光学散射必须完全消除。非立方结构的晶体具有双折射,这在陶瓷中会引起强烈的光学损耗。为了满足客户的需求和扩大客户的选择,纳米结构陶瓷制备技术和 SSCG 单晶制备技术对开发有前景的激光材料是非常重要的。 展望 在全球范围内开发陶瓷激光的历史仍十分短,不过几十年。源于日本的激光陶瓷技术在世界范围内盛行,但在美国和中国也已有关于陶瓷激光增益介质成功实现激光振荡的报道。同时在欧洲和亚洲其它国家,陶瓷激光技术也将取得成功。从根本上讲,陶瓷激光不仅仅是传统单晶激光的潜在替代品。虽然到目前为止,这个领域仍处于研发阶段,但传统单晶技术不能实现的激光性能已经在激光陶瓷上实现。熔融生长的单晶材料花费了今 20 年才实现商业化,与这个情况相似,陶瓷激光实现商业化仍然需要一些时日。 陶瓷激光以后的应用可能包括:环境检测、高速金属加工、手术和诊断用医疗设备、激光导航系统、投影和激光电视用 RGB 光源、激光驱动核巨变等。事实上,其中一些应用已经处于产品研发阶段。在不久的将来,陶瓷技术有望对各种无源光学器件(如红外视窗、透镜、棱镜、非线性光学部件、闪烁体等)产生技术革新。此外,透明陶瓷的使用将会延伸到压电和热电材料和工程陶瓷领域。在传统陶瓷中的散射中心数量已经影响了光学期间的应用,因此开发能获得显微结构完美(接近理论极限)的陶瓷技术变得十分迫切。一旦陶瓷能够获得完美的显微结构,这种制备技术能够延伸到其它技术领域。 附原文: Ceramic laser materials
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激光陶瓷界后起之秀——Dr. H.Yagi
热度 1 lijiang1977 2009-4-13 23:33
2008年国际激光陶瓷会议上我最值得期盼的报告是Dr. A.Ikesue的 CurrentandFutureStatusofCeramicLaser, 前面我已经比较详细的介绍了该报告的主要内容。接下来的一个邀请报告来之神岛化学公司(Konoshima)的Dr H. Yagi,他报告的题目是Recent advances in transparent ceramic laser materials。Dr H. Yagi虽然名气没有Dr. A. Ikesue那么响亮,但他绝对是激光陶瓷界的后期之秀,深得神岛化学公司Dr. T.Yanagitani的真传,大有青出于蓝而胜于蓝之势。第一次见到Dr H. Yagi是在2007年3月13日。应我所潘裕柏研究员、王士维研究员和冯锡淇研究员的邀请,神岛化学公司材料研发中心的T.Yanagitani(柳谷)教授带着H.Yagi等人来我所作了题为Konoshima's Optical Ceramics 的学术报告,详细介绍了神岛化学公司在光学透明陶瓷方向上的研究历史和最新研究动态,并就透明陶瓷在红外窗口、闪烁体、激光增益介质等方面的应用前景进行了生动的阐述。当T.Yanagitani教授被问及透明陶瓷的具体问题时,他都会说这个问题可以让Dr.H.Yagi来回答,足见Yagi博士在激光陶瓷研究上很有造诣。Dr.H.Yagi看起来也并不是特别起眼,用英文回答问题的时候也有点结结巴巴的。当我问及一些关键技术时,Dr.H.Yagi总会以It's a secret来答复。日本公司的研究人员太精明了,回答的时候滴水不漏,远没有和Dr. Ikesue交流的时候有收益。 第二次见到Dr.H.Yagi也就是在2008年的国际激光陶瓷会议上,受我所组织方的邀请,他在LCS2008上作了特约报告。Dr.H.Yagi太年轻了,博士毕业都没几年。这个报告主要展示了神岛化学公司近几年在激光陶瓷领域的最新进展,几乎涉及到激光陶瓷的所有体系,真让人万分佩服!报告结束后,我主动找Dr H.Yagi交流,可他说的最多的还是那句It's a secret。前段时间,在新加坡南洋理工大学从事博士后工作的章健博士回所做实验,在探讨的过程中,章健博士也提到H.Yagi,他说在Yagi博士眼里,其它国家在激光陶瓷领域的水平都相差不大,这也从侧面说明日本在激光陶瓷领域仍处在领先地位。接下来让我们来欣赏一下神岛化学在激光陶瓷领域的精彩工作。 Dr. Yagi在LCS2008上的报告 Dr. H. Yagi 神岛化学公司开发的透明陶瓷-1 神岛化学公司开发的透明陶瓷-2 注:照片引自Dr. Yagi在LCS2008的报告
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Dr. A. Ikesue获2008年Otto Schott研究奖
lijiang1977 2009-4-6 19:59
10th Otto Schott Research Award Japanese Researcher Receives Award for Development of Ceramic Laser Material (开辟激光陶瓷新领域) Dr. Akio Ikesue was presented with the 2008 Award for his pioneering work in the field of optically transparent polycrystalline ceramics, with which he created the field of polycrystalline ceramic lasers. For many years, his name has been inseparably linked to the fabrication of novel ceramic laser materials. In 1995, he achieved laser performances close to those of mono crystals. This sparked off intensive research and development activities that have resulted in new ceramic technologies and a broad scope of applications for the materials produced using this sophisticated procedure. The results of Dr. Ikesues research have been published in renowned technical magazines. His ideas have met with broad acceptance and are now being put to use in laboratories all over the world. The Japanese scientist is currently a regular visiting lecturer at distinguished conferences on lasers, materials and ceramics. Only recently, he was selected by the U.S. Government to become the first project head from Asia to develop ceramic materials for producing megawatt laser performances. At present, Akio Ikesue has 15 patents. He founded his own company, World Lab.Co. Ltd., in Nagoya, and is an Invited Professor at the Universit Pierre et Marie Curie in Paris. The Otto Schott Research Award and the Carl Zeiss Research Award are conferred on an alternating annual basis to honor out-standing scientific performance and to motivate and promote the cooperation between science and industry. Both research awards are managed by the Stifterverband, a German research organiza-tion that offers the award on an international basis, in line with the international presence of the two groups, SCHOTT AG and CARL ZEISS AG. Among the past award winners are physicians and chemists from Germany, as well as scientists from various Euro-pean countries, the United States, Russia, Japan and China. The Japanese scientist Dr. Akio Ikesue (2nd from left), Dr. Hans-Joachim Konz (2nd from right), member of the Board of Management at SCHOTT and Chairman of the Board of Trustees of the Ernst Abbe Fund, also bids farewell to Professor Gerd Mueller (right) and Prof. Donald Uhlmann (left), two individuals who have served as members of the Board of Trustees for many years. 11 of the 20 previous recipients of the Otto-Schott- Research Award were present at this years 10th Otto Schott Research ceremony. Our photo presents also the award winner 2008, Dr. Akio Ikesue (3rd of right), Dr. Hans-Joachim Konz (3nd from left), member of the Board of Management at SCHOTT and Chairman of the Board of Trustees of the Ernst Abbe Fund, and Professor Gerd Mueller (right) and Prof. Donald Uhlmann (left), members of the Board of Trustees for many years 本文引用地址: http://www.schott.com/english/news/press.html?NID=2427
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LCS2008—激光陶瓷界大牛之Dr. A. Ikesue
lijiang1977 2009-3-12 22:59
在科学网上已经沉寂好久了,真担心把我清除出去。这次接着谈谈去年的激光陶瓷会议,在四川大学卢铁城教授后出场的是激光陶瓷界真正的牛人 —— 日本的 A.Ikesue 博士。开始做 YAG 透明陶瓷的时候,阅读最多的是 A.Ikesue 博士的文章,因为是他于 1995 年首次实现了 Nd:YAG 透明陶瓷的连续激光输出。第一次见到 A.Ikesue 博士大约是在 2005 年,那次他来硅酸盐所是受结构中心王士维研究员的邀请,做了关于 YAG 激光透明陶瓷的报告。说真的,报告很精彩,对我们的启发也不小。第二次见到 A.Ikesue 博士的时候已经是去年 11 月了,也就是在 2008 年国际激光陶瓷会议上。在 LCS2008 上, A.Ikesue 博士做了题为 “CurrentandFutureStatusofCeramicLaser” 的邀请报告,让人受益匪浅。第一次见 Dr. Ikesue 的时候,觉得他很年轻,跟他的实际年龄相比。第二个印象就是他性格上比较腼腆,很谦逊,虽然这个时候他已经是激光陶瓷界人人皆知的大牛了。还有一个影响就是觉得Dr. Ikesue的英语口语不是特别好,因为他的PPT里面全是英文解释,做报告的时候就完全按照PPT上面的注释念。那次做完报告,硅酸盐所的王士维研究员招待了 Dr. Ikesue ,所以章健博士、冯涛博士、刘敏博士、安丽琼女士和我都有幸参加了晚宴。晚宴上, Dr. Ikesue 表现出了对中国菜的极大热情,一直赞不绝口。 Dr. Ikesue 回到日本后,我也没怎么再联系他,直到我博士毕业后。因为我受中国科学院公派访问学者项目资助,要前去日本做为期一年的访问研究。当时我首先想到的是去 Dr. Ikesue 的研究团队,所以我写 E-mail 说我想去 Word - Lab 从事访问研究。也没太出我的意料, Dr. Ikesue 写信婉言拒绝了我。激光陶瓷领域还是太敏感了!受美国军方资助, Lawrence Livermore National Laboratory 使用神岛化学公司提供的 Nd:YAG 透明陶瓷实现了 67kW 的连续激光输出。所以对于日本来说,绝对不会让中国人有机会去偷学他们的技术。然后我又联系了日本神岛化学公司 T. Yanagitani 教授的研究小组,结果是石沉大海,估计人家懒得理我。最后还是去了日本国立材料研究所(NIMS)解荣军课题组做了为期一年的访问学者。2008年10月底,我从日本回到上海硅酸盐研究所继续从事YAG激光透明陶瓷的研究。2008年11月,第四届国际激光陶瓷会议(LCS2008)如期在上海国际会议中心召开,举办方正是我们研究所。第二次见到Dr.Ikesue时,觉得他的英文口语有了很大的进步,做报告的PPT已经不再用英文注释了,报告的内容仍然相当的精彩,什么激光陶瓷复合结构,什么透明陶瓷单晶化,什么激光陶瓷中的缺陷。Dr. Ikesue的确是一个很有想法的人,自从1995年首次实现Nd:YAG透明陶瓷的连续激光输出,近15年中做了不少创新性的工作。激光陶瓷会议的最后一个环节是圆桌会议,俄罗斯科学院的A.A.Kaminskii教授、罗马尼亚国立激光研究所的V.Lupei教授,University Claude Bernard/Lyonl的G.Boulon教授就光谱学提出了自己的一些见解;日本电气通信大学的K.Ueda教授和利弗莫尔国家实验室(LLNL)的G.J.Quarles教授就大功率陶瓷固体激光器谈了一些自己的看法。很遗憾,Dr. Ikesue和Dr. H.Yagi都没在圆桌会议上发言。圆桌会议后,主办方安排与会人员晚上去上海马戏城看杂技表演。在国际会议中心的大堂等待去上海马戏城的时候,我同学陈启伟博士、冯涛博士和我终于有了和A.Ikesue博士单独合影和探讨的机会。我在国际激光陶瓷会议上报告的内容是关于“Nd:YAG激光陶瓷中缺陷”,我认为目前我们制备的激光陶瓷中的缺陷主要是微气孔,A.Ikesue博士则认为激光陶瓷中的主要缺陷是晶界,而并非气孔。其实现在想想都有道理,A.Ikesue博士早期制备的Nd:YAG透明陶瓷中也存在一定量的气孔,所以那个时候微气孔是最主要的缺陷。随着Nd:YAG透明陶瓷光学质量的提高,陶瓷晶界成了激光陶瓷的薄弱环节(应力、热等易集中区域),目前A.Ikesue博士制备的Nd:YAG陶瓷在透光显微镜中几乎看不到气孔(逐层扫描)。这也从另外一个侧面说明国产激光陶瓷与代表世界最先进水平的日本产品还有一定的差距。 去上海马戏城的途中,有幸坐在池末明生博士的边上,所以我才有更多了解他的机会。当我说自己刚从日本国立材料研究所(NIMS)做完访问学者回国时,A.Ikesue博士突然问我认不认识NIMS的Sakka教授(日本筑波大学教授)。我说当然认识啊,因为Sakka教授是NIMS纳米陶瓷中心的中心长(相当于硅酸盐所的中心主任)。在一次我在NIMS纳米陶瓷中心做公开报告时,Sakka教授曾想我提过好几个问题,所以影响特别深刻。他还问我认不认识Tanaka博士,这个我当然认识,Tanaka博士所在的非氧化物陶瓷课题组和我所在的非氧化物粒子组本来就是同一个组,只是后来分家了。Tanaka博士对科研的态度非常严格,近乎苛刻,我就曾经在实验的一些细节上被教训过几次。可惜在我回国之前他也光荣退休了,退休后还好几次在实验室里自己做实验,佩服之情油然而生。我问A.Ikesue博士为什么对NIMS这么熟悉,让我很感以外的是他也曾经在NIMS做过一段时间的科研工作。当时跟他一起在NIMS从事透明陶瓷研究工作还有后来大名鼎鼎的T.Yanagitani博士(神岛化学公司研究主管),不过这些都是上个世纪九十年代初期的事情了。A.Ikesue博士和T.Yanagitani博士都是在NIMS的T.Ikegami教授课题组从事YAG纳米粉体和透明陶瓷的研究工作。记得NIMS的解荣军博士也曾经告诉过我,刚开始做透明陶瓷的时候,神岛化学公司是向NIMS学习制备技术的,同时NIMS和神岛化学公司也联合申请了关于YAG纳米粉体和透明陶瓷制备的专利。说到氧化物纳米粉体和透明陶瓷的制备,我又不得不提到NIMS的李继光博士(导师是东北大学的孙旭东教授)。李继光博士是1998年博士毕业到NIMS的T.Ikegami教授的课题组从事氧化物纳米粉体和透明陶瓷的研制工作,他在这方面很有自己的心得与体会,与李继光博士的探讨让我受益匪浅。很可惜,T.Ikegami教授退休后,他也转到了等离子课题组,所以这方面的工作也没有再开展下去。或许透明陶瓷的制备是一门技术活,就算日本国立材料研究所的技术也没法与神岛化学公司比。 话题有点扯远了。A.Ikesue博士离开NIMS后,觉得Nd:YAG激光透明陶瓷是一种潜在并且有价值的固体激光增益介质。他之所以选择Nd:YAG为研发对象是因为这个体系不仅是立方晶系,相应的单晶也是综合性能最为优异的激光材料。虽然在此之前,Dy:CaF2和NDY多晶陶瓷已经实现了连续激光输出,但是A.Ikesue博士对他们的前景并不看好。他笑称自己在Krosaki公司的时候仅仅是一个烧炉子的工程师,并不是什么科研人员。但是他有执着的信仰,他觉得自己一定能用固相反应制备出高质量的Nd:YAG透明陶瓷。当时的科学界几乎存在一个共识,认为简单固相反应不可能制备出低散射损耗的Nd:YAG透明陶瓷,因为在此之前很多年,真空烧结湿化学法制备的Nd:YAG透明陶瓷均由于过高的散射损耗而未能实现激光输出。就是由于A.Ikesue博士的执着,从20世纪90年代初到1994年左右,他花了不到3年的时间制备出了具有高光学质量的Nd:YAG透明陶瓷。但是刚开始的时候,没有人相信他制备的陶瓷能够出激光,很多名牌大学的教授都认为这是不可能的事情。后来他找到了大阪工学院激光工程研究所的K.Yoshida教授,在他们的共同努力下终于首次实现了Nd:YAG透明陶瓷的连续激光输出。记得A.Ikesue博士告诉我,出激光的那天正好是圣诞节,他说这是上天给他最好的圣诞礼物。但是成功的喜悦并没有让A. Ikesue博士持续太久,因为他急着让这个重大的科研成果让全世界的人都知道。对于A.Ikesue博士报道的结果,当时很多陶瓷界的牛人都觉得不可信,投稿的文章也是几经周折,这个原创性的结果才被接收并于1995年发表在美国陶瓷协会会刊上(J.Am.Ceram.Soc.,1995,78 :1033-40])。 接着A.Ikesue博士在美陶上发表了一系列关于YAG基透明陶瓷的文章,从而为其奠定了激光陶瓷界大牛的地位。但是A.Ikesue博士从事激光陶瓷的研究工作也并非一帆风顺,大约在接下来的好几年里,由于没有日本政府的财政支持,激光陶瓷项目停滞了3年左右的时间。我想日本政府在财政上没有大力支持的原因有几点:1)Nd:YAG透明陶瓷虽然实现了连续激光输出,但激光输出功率都不高,与Nd:YAG单晶比并没有什么优势;2)激光陶瓷还没有明确的应用背景;3)学术界对激光陶瓷还将信将疑;4)日本政府还没有充分意识到激光陶瓷的战略重要性。 从1995年到2000年左右,A.Ikesue博士用固相反应制备的Nd:YAG透明陶瓷在激光输出功率上没有太大的进展,于是乎激光陶瓷的发展遇到了瓶颈。恰恰在这个时候(也就是2000年左右),日本神岛化学公司(Konoshima)报道了用湿化学法制备Nd:YAG纳米粉体,并用真空烧结的方法制备了高光学质量的Nd:YAG透明陶瓷。用该方法制备的Nd:YAG透明陶瓷具有更低的光学损耗,并且激光输出具有跟单晶相近的斜率效率和光光转化效率。在短短的5年不到的时间里,神岛化学公司与日本电气通讯大学、俄罗斯科学院晶体研究所合作联合开发出了一系列激光二极管泵浦的高效率、高功率固体激光器。激光输出功率也从31W上升到1.46KW。2005年,受美国军方资助,利弗莫尔国家实验室采用日本神岛化学公司提供的Nd:YAG陶瓷板条实现了67KW的连续激光输出。很显然,神岛化学公司走了一条大功率陶瓷激光器的道路。而A.Ikesue博士的World Lab公司没有在这一点上和神岛化学公司攀比,至于具体原因我们不得而知。或许是由于固相反应在制备大尺寸激光陶瓷上的局限,也或许是A.Ikesue博士的兴趣并不在此,更或者是日本政府对科研方向的宏观调控。但是,无论如何,我们都不能否认A.Ikesue博士是一个很有创新思想的人,无论是超短脉冲陶瓷激光器、陶瓷纤维激光器的设计,还是激光陶瓷的复合结构设计和多晶激光陶瓷的单晶化制备。 愿A.Ikesue博士能在激光陶瓷领域作出更大的成就! 最后让我们慢慢品味一下牛人的精彩报告 四川大学陆铁城教授(右下角)在聆听A. Ikesue博士的报告 高压钠灯用半透明氧化铝陶瓷 Grescovich的NDY陶瓷激光器 叹为观止的透明陶瓷首饰 激光陶瓷制备工艺 K. Ueda教授和A. Ikesue博士的对话 最后上传一张和大牛的合影
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激光陶瓷之激光原理基础
lijiang1977 2008-12-30 12:26
这些天一直没时间在自己的博客上写点东西,想想都有点惭愧。这次还是继续科普一下,谈点固体激光的基本原理。 通常的激光器由激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。为了形成稳定的激光,首先必须有能够形成粒子数反转的发光粒子(激活离子)。为激活离子提供寄存场所的材料称为基质,基质和激活离子统称激光工作物质。产生激光的必要条件是实现粒子数反转,而为了实现粒子数反转,就必须有适合激活离子的能级系统。当前研究得最多也最普遍的固体激光器有两种类型的能级结构,即所谓的三能级系统和四能级系统(如图 1 所示)。 图 1 固体激光器的三能级和四能级系统示意图 三能级系统中,激光下能级就是基态,激活离子吸收了泵浦源的光能之后跃迁到吸收带,然后通过无辐射跃迁过程到达激光发射的上能级。当泵浦光的强度足够大时,激光上下能级之间形成了足够大的粒子数反转,激光波长的光增益足以补偿其损耗时,介质将变成该波长光的增益介质。如果把这种增益介质放到适当的光学谐振腔中,受激辐射的光束多次在增益介质中通过将形成在空间和时间上高度集中的光辐射 激光。三能级系统的典型例子是红宝石 Cr 3+ :Al 2 O 3 晶体。四能级系统中,激活离子吸收泵浦光后跃迁到一个位于激光发射上能级之上的吸收带,然后由无辐射跃迁进入激光上能级,以后的过程与三能级系统相同,但是四能级系统中跃迁到激光下能级的离子通过无辐射跃迁回到基态。四能级系统的例子很多,目前在激光技术上应用最多的 Nd 3+ :YAG 就是其典型。 不论是三能级系统还是四能级系统,要使激光材料发射激光,第一步都需要泵浦源给予足够强的激励,使之成为光的增益介质。半导体激光器 (LD) 泵浦是当前用于激励激光材料的一种高效而又不会产生太多热量的泵浦方法,它不会因为热量的产生而导致激光材料的温升太大,从而较好的保持激光材料在较低温度下的优良性能。图 2 为 LD 泵浦的固体激光器示意图。 图 2 激光二极管( LD )泵浦的固体激光器示意图
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国际激光陶瓷会议开幕-LCS 2008 (7)
lijiang1977 2008-11-11 21:42
2008 年 11 月 11 日 ,也就是今天,期待已久的第四届国际激光陶瓷会议( LCS2008 )终于召开了。 LCS 2008 是和 The 9th International Symposium on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications ( 2008CMCEE )同时在上海国际会议中心召开的 , 2008CMCEE 的大会主席是著名陶瓷专家江东亮院士, Plenary Speakers 是中科院副院长李静海研究员, GE 全球研发中心的 Dr. Krishan Luthra 和 Robert Bosch GmbH 的 Robert Bosch GmbH 。他们报告的题目分别是 Meso-scale structure- a common challenge of chemical engineering 、 SiC/SiC composites for gas turbine application 、 Functional ceramics for eission control strategies 。因为我对这些研究内容不是很熟悉,所以我不多做评价。结束了上午的开幕式及大会报告后,与会者到海鸥餐厅吃自助餐。吃饭的时候碰到了台湾大学的段维新教授、 NIMS 的 Badon 教授、 Sakka 教授、解荣军研究员以及韩国学者李世熏和李镇石博士。 下午便正式开始激光陶瓷的讨论,因为本人明天要做报告,今天先开个头,重头戏在后头,敬请期待。。。。。。 大会主席江东亮 院士致开幕词 罗宏杰所长致欢迎词 中科院副院长李静海研究员的大会报告
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