上海硅酸盐所钇钪铝石榴石激光陶瓷研究中取得系列进展
钇铝石榴石（Y3Al5O12，YAG）是一种性能非常优异的固体激光基质材料，具有透光范围宽、理论透过率高、热导率高等特点。并且在YAG基质中，位于十二面体格位的Y3+以及位于八面体格位和四面体格位的Al3+可以被性质相似的其他离子取代，形成多组分石榴石材料来实现对其性能的调控，从而达到其应用的多功能化。例如热导率的改变，激活离子吸收、发射峰的峰形展宽以及峰位移动、荧光寿命的调整等。在YAG基质材料中引入Sc3+形成Y3ScxAl5-xO12（0≤x≤2）是通过组分设计来实现其性能调控非常有效的方式。如在Yb:YSAG中，Sc3+的引入可以增加晶体场的起伏，从而导致Yb3+发射谱峰的非均匀加宽，有利于超快飞秒脉冲激光生成。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李江团队在Yb:YSAG激光陶瓷研究中取得系列进展。该团队通过反应烧结结合热等静压后处理（HIP）技术成功制备了10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷，Yb3+的1030nm处的发射峰半高宽约为10 at.% Yb:YAG陶瓷的1.3倍，非常有利于超快飞秒脉冲激光生成。团队与意大利国立光学系统研究所和意大利国立应用物理研究所合作，实现了Yb:Y3ScAl4O12陶瓷的高效激光输出。使用929.4nm光纤耦合激光二极管（LD）泵浦，实现了斜率效率为67.6%、激光输出功率为11.3W的准连续（QCW）激光输出（目前报道的该种材料的最大激光输出功率）。相关工作结果发表在美国陶瓷学会会刊上（J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10.1111/jace.16691）。
该团队研究了不同Yb3+掺杂浓度对Yb:Y3ScAl4O12陶瓷微观结构以及光学性能的影响，10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷具有最优的光学质量和激光性能。另外也探究了不同Sc3+含量对10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12陶瓷性能的影响。随着Sc3+含量的增加，Yb3+发射峰的半高宽也在相应地增加，其中Sc3+含量为1.5的10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12陶瓷在1030nm处发射峰宽为10 at.% Yb:YAG的1.4倍，理论上能产生大约100fs的脉冲激光。对10 at.% Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12透明陶瓷进行激光性能测试，得到了10.8W的准连续激光输出，相应的斜率效率为66.4%，可调谐激光波长范围为86.2nm（988-1074.2nm），为目前报道的Yb:YSAG陶瓷的最大激光调谐范围（J. Alloys Compd., 2020, 815: 152637）。另外，通过与华东师范大学研究员李文雪合作，10 at.% Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12陶瓷采用平平腔和三镜腔针方式均实现了高效连续激光输出（Opt. Mater., 2019, 88: 339-344）。
Yb:YSAG激光陶瓷主要应用于1μm波段的激光生成。2μm中红外激光是一种非常重要的激光光源，它具有可被水强吸收，对人眼安全，可用石英光纤传输以及通过大气透过率高等特点。Tm3+是2μm中红外激光常用的激活离子，Tm:YSAG陶瓷相比于Tm:YAG陶瓷具有更长的荧光寿命，有利于能量的存储，是一种很有前景的中红外激光增益介质。该团队采用真空烧结技术制备了高质量的4 at.% Tm:Y3ScAl4O12透明陶瓷，并使用790nm光纤耦合LD泵浦，首次实现了该新型陶瓷材料的2μm激光输出。激光工作波长为2015nm，最大激光输出功率为0.54W，对应的斜率效率为4.8%（J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10. 1111/jace.16873）。以上系列论文的第一作者为上海硅酸盐所博士研究生冯亚刚，通讯作者为李江。
相关研究工作得到中科院前沿科学重点研究计划项目（院青年拔尖人才项目）、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、上海硅酸盐所重点学科建设项目等资助。
10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷的(a)直线透过率与实物照片；(b)吸收截面与发射截面；(c)激光装置图；(d)准连续激光性能
不同Sc3+含量10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12激光陶瓷的(a)直线透过率；(b)实物照片；(c)吸收截面；(d)发射截面
4 at.% Tm:Y3ScAl4O12激光陶瓷的(a)直线透过率与实物照片；(b)吸收截面；(c)发射截面；(d)激光装置图与激光性能
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科技前沿
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项目成果
