Nd:YAG透明陶瓷及小型激光器研究

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

關鍵詞: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、照明等領域獲得應用。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用領域。1995年，日本科學家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，中國科學院上海硅酸鹽研究所潘裕柏課題組在國內率先研制出高質量Nd:YAG透明陶瓷，并實現了激光輸出，最大輸出功率為17mW，光-光轉換效率為1.7%，斜效率為6.1%[5]。在此材料基礎上，中國科學院上海光學精密機械研究所報道了國內第一個透明陶瓷激光器。 目前，透明陶瓷制備技術已逐漸走向成熟[5-9]，材料成本日趨下降，如何制備大尺寸、高質量的陶瓷材料以及推動其在器件上的應用成為未來發展的關鍵。宏觀上，科學家更多地關心實現透明陶瓷的大功率激光輸出。但從長遠來看，要突破透明陶瓷的應用瓶頸，關鍵還在于拓展其民用市場。筆者認為，小型化激光器是激光透明陶瓷的潛在應用方向，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技術制備Nd:YAG透明陶瓷，將純度>99.9%的Y2O3、Al2O3粉末(上海躍龍化學藥品公司生產)和Nd2O3粉末按化學計量比配比，以0.5%的TEOS為燒結助劑，以無水乙醇為介質混合粉料球磨，漿料干燥后過200目篩，用鋼模壓成Φ15mm圓片，經過250MPa等靜壓成形得到素坯，然后在1760℃下真空燒結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。根據激光器設計要求將透明陶瓷樣品切割成長條狀，然后研磨、拋光到所需光學質量。由于燒結過程中樣品收縮，圓片存在變形，首先要研磨使其達到一定的平整度[10]，然后經過拋光使透明陶瓷具有所要求的光學表面粗糙度和尺寸精度[11]。圖2是經切割、研磨、拋光后獲得的透明陶瓷，尺寸為3mm×3mm×10mm。表面質量要求為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、諧振腔以及冷卻、濾光系統構成。本實驗中，我們采用Nd:YAG透明陶瓷作為激光工作物質。激光器制作主要包括以下幾個工序:(1)腔鏡、正負鏡、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準直;(4)激光調試;(5)自然固化;(6)濾光鏡上盤;(7)裝配溫度控制系統;(8)正負鏡清洗、去雜光、激光器測試等。

3結果和討論

3.1激光器設計原理 激光器設計原理如圖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，經耦合聚光鏡準直、聚焦后，經腔鏡聚焦于Nd:YAG透明陶瓷，透明陶瓷吸收泵浦光能量后，發生受激輻射，形成1064nm基頻振蕩光;基頻光通過倍頻晶體，發生非線性效應，產生532nm倍頻光，經紅外濾光鏡后得到532nm綠色激光。

3.2激光器制作 如圖3所示，激光器設計采用直腔結構和LD端面抽運以及腔內倍頻方式，圖4為實物圖。抽運源為美國NLight生產的半導體激光器，最大驅動電流為2A，最大輸出功率為2W，電/光轉換效率為50%，工作波長為808nm，與透明陶瓷的Nd:YAG的吸收峰相對應，較好地實現了光譜匹配。耦合系統采用一對非球面鏡，耦合效率為98%，聚焦光束質量好、光斑小。倍頻晶體選用KTP，在1064nm處有較高的有效非線性系數，導熱性良好，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99.8%。這種腔型結構輸出穩定，有較高的光-光轉換效率，泵浦光在陶瓷片輸入面上的光斑尺寸為200μm。 本實驗設計的激光頭尺寸為20mm×20mm×100mm，供電電源為5VDC，預熱時間小于5min，工作溫度為15~35℃，光束直徑<2mm，光束發散角<1mrad，連續波(CW)輸出功率為0.35mW。當LD抽運功率為2W時，獲得最高功率為1mW的532nm連續激光輸出。

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，嚴重限制了其基頻光功率密度的提高，導致光波經KTP倍頻時，轉換效率偏低，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，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定等問題，因此需要嚴格控制其溫度范圍。本實驗在激光頭中設計了一個半導體致冷器，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展，相信將來會開發出寬帶透明陶瓷，實現透明陶瓷在激光領域中的廣泛應用。

4 結 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腔內倍頻小型激光器。當LD抽運功率為2W時，獲得最高功率為1mW的532nm連續激光輸出，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的提高，現有Nd:YAG陶瓷的缺點將得以克服，研制出實用化的小型激光器。

參考文獻

[1] 楊秋紅.激光透明陶瓷研究的歷史和最新進展[J].硅酸鹽學報，2009， 37(3): 476-484.

[2] IKESUE A， FURUSATO I， KAMATA K. Fabrication of polycrystalline，transparent YAG ceramics by a solid-state reaction method [J]. J Am Ceram Soc， 1995， 78(1):225-228.

[3] IKESUE A， KINOSHITA T， KAMATA K， et al. Fabrication andoptical properties of high performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers[J]. J Am Ceram soc， 1995， 78(4):1033-1040.

[4] HELLER A. Transparent ceramics spark laser advances [J].STR， 2006:10-17.

[5] 徐軍.激光材料科學與技術前沿[M].上海:上海交通大學出版社，2007:14-15.

[6]潘裕柏， 徐軍， 吳玉松等.Nd:YAG透明陶瓷的制備與激光輸出[J].無機材料學報， 2006， 21(5).

[7]樓棋洪， 漆云鳳， 周軍等.高性能透明激光陶瓷及陶瓷激光器的最新應用進展[J].紅外與激光工程， 2008， 37(6).

[8]王海麗， 蒲瑞滿， 黃存新等.Nd:YAG透明陶瓷的制備及激光輸出[J].硅酸鹽學報， 2009， 37(9).

[9]樓祺洪， 馬海霞， 孟俊清等.透明陶瓷激光器獲得98.5mW連 續激光輸出[J].中國激光， 2003， 31(5):28-28.

[10] 李軍， 朱永偉， 左敦穩等.Nd:Y3Al5O12透明陶瓷的超精密加 工[J].硅酸鹽學報， 2008， 36(8):1179-1181.

[11] 許國玉， 趙剛.超硬透明陶瓷材料的一種平面加工方法[J].應 用科技， 2000， 27(11):7-8.

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