摘 要:本文采用固相法和真空燒結(jié)技術(shù)制備了1at% Nd:YAG透明陶瓷，并以此為激光工作物質(zhì)，設(shè)計制作了LD端面抽運小型激光器。當(dāng)LD抽運功率為2W時，獲得最高功率為1mW的532nm連續(xù)激光輸出。

關(guān)鍵詞:Nd:YAG;透明陶瓷;激光器

1 引言

透明陶瓷是一種新型功能材料，由于它具有耐高溫、抗腐蝕、高絕緣、高強度等特性以及良好的透光性能，有望在激光、閃爍、照明等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。透明陶瓷種類繁多，世界上主要國家如美國、日本、俄羅斯、法國、中國等都對透明陶瓷開展了大量的研究，先后開發(fā)出Y2O3、MgO、TiO2、ThO2、Lu2O3、Sc2O3、Y3Al5O12(YAG)、MgAl2O4、AlON、ZnS和MgF2等多種透明陶瓷材料[1]。 激光是透明陶瓷的重要應(yīng)用領(lǐng)域。1995年，日本科學(xué)家IKesue等[2-3]采用直徑小于2μm的Al2O3、Y2O3和Nd2O3粉末作為初始原料，成功制備出Nd:YAG透明陶瓷，并首次用LD泵浦實現(xiàn)了Nd:YAG透明陶瓷激光器的激光輸出。2006年，美國Livemore實驗室利用日本Konishima公司提供的5塊Nd:YAG透明陶瓷(100mm× 100mm× 20mm)組成固體熱容激光器，獲得了67000W的激光輸出[4]。我國的激光透明陶瓷研究起步較晚，已取得了一些可喜的成果。2007年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所潘裕柏課題組在國內(nèi)率先研制出高質(zhì)量Nd:YAG透明陶瓷，并實現(xiàn)了激光輸出，最大輸出功率為17mW，光-光轉(zhuǎn)換效率為1.7%，斜效率為6.1%[5]。在此材料基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所報道了國內(nèi)第一個透明陶瓷激光器。 目前，透明陶瓷制備技術(shù)已逐漸走向成熟[5-9]，材料成本日趨下降，如何制備大尺寸、高質(zhì)量的陶瓷材料以及推動其在器件上的應(yīng)用成為未來發(fā)展的關(guān)鍵。宏觀上，科學(xué)家更多地關(guān)心實現(xiàn)透明陶瓷的大功率激光輸出。但從長遠(yuǎn)來看，要突破透明陶瓷的應(yīng)用瓶頸，關(guān)鍵還在于拓展其民用市場。筆者認(rèn)為，小型化激光器是激光透明陶瓷的潛在應(yīng)用方向，本文報道了筆者在透明陶瓷小型化激光器研究方面的成果。

2 實驗

2.1透明陶瓷制備 本文所用透明陶瓷由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所潘裕柏研究員課題組提供，其制備工藝為:采用固相法和真空燒結(jié)技術(shù)制備Nd:YAG透明陶瓷，將純度>99.9%的Y2O3、Al2O3粉末(上海躍龍化學(xué)藥品公司生產(chǎn))和Nd2O3粉末按化學(xué)計量比配比，以0.5%的TEOS為燒結(jié)助劑，以無水乙醇為介質(zhì)混合粉料球磨，漿料干燥后過200目篩，用鋼模壓成Φ15mm圓片，經(jīng)過250MPa等靜壓成形得到素坯，然后在1760℃下真空燒結(jié)30h，再將樣品在空氣中于1450℃退火處理20h，樣品雙面拋光成透明圓片，如圖1所示。

2.2陶瓷加工 Nd:YAG透明陶瓷屬于硬脆材料，加工難度較大，加工要求也較高。根據(jù)激光器設(shè)計要求將透明陶瓷樣品切割成長條狀，然后研磨、拋光到所需光學(xué)質(zhì)量。由于燒結(jié)過程中樣品收縮，圓片存在變形，首先要研磨使其達(dá)到一定的平整度[10]，然后經(jīng)過拋光使透明陶瓷具有所要求的光學(xué)表面粗糙度和尺寸精度[11]。圖2是經(jīng)切割、研磨、拋光后獲得的透明陶瓷，尺寸為3mm×3mm×10mm。表面質(zhì)量要求為10/5(MIL-PRF-13830B)、面形<λ/8(λ=632nm)、崩邊<0.2mm、平行度≤10″。

2.3激光器制作工藝 固體激光器主要由泵浦源、工作物質(zhì)、諧振腔以及冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成。本實驗中，我們采用Nd:YAG透明陶瓷作為激光工作物質(zhì)。激光器制作主要包括以下幾個工序:(1)腔鏡、正負(fù)鏡、濾光片等進料檢驗;(2)KTP、Nd:YAG陶瓷等上盤，腔鏡上盤，耦合透鏡上盤;(3)LD準(zhǔn)直;(4)激光調(diào)試;(5)自然固化;(6)濾光鏡上盤;(7)裝配溫度控制系統(tǒng);(8)正負(fù)鏡清洗、去雜光、激光器測試等。

3結(jié)果和討論

3.1激光器設(shè)計原理 激光器設(shè)計原理如圖3所示，LD端面泵浦綠光激光器，由端面泵浦源2泵浦，泵浦光波長為808nm，經(jīng)耦合聚光鏡準(zhǔn)直、聚焦后，經(jīng)腔鏡聚焦于Nd:YAG透明陶瓷，透明陶瓷吸收泵浦光能量后，發(fā)生受激輻射，形成1064nm基頻振蕩光;基頻光通過倍頻晶體，發(fā)生非線性效應(yīng)，產(chǎn)生532nm倍頻光，經(jīng)紅外濾光鏡后得到532nm綠色激光。

3.2激光器制作 如圖3所示，激光器設(shè)計采用直腔結(jié)構(gòu)和LD端面抽運以及腔內(nèi)倍頻方式，圖4為實物圖。抽運源為美國NLight生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器，最大驅(qū)動電流為2A，最大輸出功率為2W，電/光轉(zhuǎn)換效率為50%，工作波長為808nm，與透明陶瓷的Nd:YAG的吸收峰相對應(yīng)，較好地實現(xiàn)了光譜匹配。耦合系統(tǒng)采用一對非球面鏡，耦合效率為98%，聚焦光束質(zhì)量好、光斑小。倍頻晶體選用KTP，在1064nm處有較高的有效非線性系數(shù)，導(dǎo)熱性良好，比較適合于1064nm光波的倍頻。以腔鏡右面至KTP右面作為激光器的諧振腔，腔長為26mm。腔鏡右面鍍1064nmHR532nmHR以及808nmAR;透明陶瓷片兩端鍍1064nmAR和808nmAR;KTP左端鍍1064nm 532nmAR，右端鍍1064nmHR和532nmAR，其對1064nm光波反射率達(dá)99.8%。這種腔型結(jié)構(gòu)輸出穩(wěn)定，有較高的光-光轉(zhuǎn)換效率，泵浦光在陶瓷片輸入面上的光斑尺寸為200μm。 本實驗設(shè)計的激光頭尺寸為20mm×20mm×100mm，供電電源為5VDC，預(yù)熱時間小于5min，工作溫度為15~35℃，光束直徑<2mm，光束發(fā)散角<1mrad，連續(xù)波(CW)輸出功率為0.35mW。當(dāng)LD抽運功率為2W時，獲得最高功率為1mW的532nm連續(xù)激光輸出。

3.3小型化存在的問題 光在透明陶瓷中傳播時，將發(fā)生一定的散射，散射率約為10%，而常見的Nd:YVO4晶體，其散射率<0.1%，相差甚大。由于透明陶瓷這一缺陷，嚴(yán)重限制了其基頻光功率密度的提高，導(dǎo)致光波經(jīng)KTP倍頻時，轉(zhuǎn)換效率偏低，這是限制YAG透明陶瓷功率的主要因素。其次，YAG透明陶瓷吸收帶較窄，如圖5所示，在激光器工作狀態(tài)，激光器溫度會明顯上升，造成LD輸出波長漂移， 與陶瓷材料的吸收光譜很難匹配，進而引起激光器輸出不穩(wěn)定等問題，因此需要嚴(yán)格控制其溫度范圍。本實驗在激光頭中設(shè)計了一個半導(dǎo)體致冷器，控制溫度范圍為25℃，誤差為0.1℃;在激光器底部還安裝了一個散熱裝置，這些附加裝置給激光器小型化帶來很多困難。隨著新型激光陶瓷的發(fā)展，相信將來會開發(fā)出寬帶透明陶瓷，實現(xiàn)透明陶瓷在激光領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。

4 結(jié) 論

采用摻雜濃度為1at%的3mm×3mm×10mmNd:YAG透明陶瓷制備了LD端面抽運、KTP腔內(nèi)倍頻小型激光器。當(dāng)LD抽運功率為2W時，獲得最高功率為1mW的532nm連續(xù)激光輸出，光斑橢圓度為98%。由于透明陶瓷存在一定的光散射以及Nd:YAG對溫度的敏感性，透明陶瓷激光器小型化還有較大的研究空間。相信隨著新型透明陶瓷研究以及陶瓷技術(shù)的提高，現(xiàn)有Nd:YAG陶瓷的缺點將得以克服，研制出實用化的小型激光器。

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Study of Nd:YAG Transparent Ceramics and Smallsized Ceramic Laser

(CHEN Jing-bin1， HAO Nan1， HUANG Jia-jing1， FAN Yan-yan1， JIANG Ben-xue2， LIU Wen-bin2，ZHANG Wen-zhao3，XU Jia-yue1，

PAN Yu-bo2， JIANGg Guo-jian1

1.School of Materials Science and Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai200235，China;

2.Shanghai Institute of Ceramics， Shanghai200050，China;

3.Shanghai Xilong Optoelectronics Technology Company， Shanghai201108，China)

Abstract:1at% Nd:YAG transparent ceramics had been prepared by solid phase reaction and vacuum sintering. A minimized laser was designed and fabricated successfully from an end LD pumped with 1at% Nd:YAG transparent ceramics. The laser output of 1mW was obtained when the LD pump was 2W.

Key words: Nd:YAG;transparent ceramics;laser