第一篇：掺钕钇铝石榴石激光材料定稿
题
目：
掺钕钇铝石榴石激光陶瓷材料
目录
内容摘要……………………………………………………………… 3 Abstract……………………………………………………………… 4 一 绪论 ……………………………………………………………… 5 二 Nd：YAG激光陶瓷材料的介绍
（一）钇铝石榴石的结构 ……………………………………………5
（二）激光的产生 ……………………………………………………6
（三）Nd：YAG激光器的原理………………………………………6 三 Nd：YAG激光器的应用
（一）长脉冲激光在医学方面的应用…………………………………7
（二）在焊接方面的应用………………………………………………7 四 发展前景 ……………………………………………………………8 参考文献…………………………………………………………………9
内容摘要
近年来，掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）激光陶瓷材料被广泛的应用在激光器应用中，并且在生物、医学、工业生产等方面大量应用，与其他激光材料相比，Nd：YAG激光陶瓷材料不仅具有振荡阈值高、掺杂浓度高及激光质量高等优点，并且在生产工艺上也逐渐优化。本文将从Nd：YAG激光器的原理、优点、应用范围及发展前景等几方面进行综合评述。关键词：Nd：YAG 振荡阈值 激光器
Abstract
In recent years, neodymium doped yttrium aluminum garnet（Nd：YAG）laser ceramic materials are widely used in laser application, and a large number of applications in biology, medicine, industrial production and other aspects, compared with other laser materials, Nd:YAG laser ceramic material not only has high threshold, high doping concentration and laser quality advantages, and gradually optimize in production process.This paper will be reviewed from the aspects of principle, application scope, advantages of Nd:YAG laser and development prospect.Key words:
Nd:YAG
Laser Oscillation threshold
一、绪论
1960年，美国成功的研制出世界上第一台红宝石激光器[1]，从此激光技术被广泛应用在军事、先进制造业、生物医疗等领域，被认为是20世纪最伟大的发明。激光器根据使用介质的不同，主要分为固体激光器、液体激光器、气体激光器和半导体激光器[2],而对于固体激光器主要有三种激光介质：单晶、玻璃和陶瓷，单晶工作介质的激光器体积小、性能可靠、稳定，并适用于各种连续和脉冲激光器件。玻璃也是一种激光介质，它制作工艺比较简单，可以实现大尺寸及高掺杂，并且玻璃的热致双折射效率低；但玻璃的缺点主要是热导率不够高、硬度不够高、荧光线宽较宽以及激光震荡阈值较高[3]。近年来又出现一种新型介质：激光陶瓷，随着制备工艺的进步，激光陶瓷的形状已经比较容易控制，并且可以制备较大尺寸；激光透明陶瓷制备周期短，生产成本低，能够实现大规模生产，可掺杂浓度高，且其热导率好于玻璃，但比激光晶体差。目前最广泛并且具有代表性的就是Nd:YAG激光透明陶瓷材料。
二、Nd：YAG激光陶瓷材料的介绍
（一）钇铝石榴石结构
钇铝石榴石分子式Y3Al5O12，YAG是钇铝石榴石的英文缩写，属立方晶系，每个晶胞含8个Y3Al5O12分子，共有24个Y3+离子，40个Al3+离子和96个O2-离子，其中八面体的Y3+离子形成体心立方结构，而四面体的Al3+离子和十二面体的O2-离子处于立方体的面等分线上。八面体与四面体都是歪斜的，石榴石结
构属于一种畸变结构，具有十二面体配位的Y3+离子和八面体配位的Al3+离子格位可以被具有相似性质的其他离子所替代，以固溶置换的方式进入YAG晶格。
图1 YAG晶体结构
（二）激光的产生
光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。假如院子处于高能态E2，然后跃迁到低能态E1，则它以辐射形式发出能量，能量发射有两种途径：一是原子无规则地转变到低能态，称为自发发射；二是一个具有能量等于两能级间能量差地光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射，受激发射产生的光就是激光。
（三）Nd：YAG激光器的工作原理
固体激光器产生可以用能级理论解释，通常为了便于问题的分析，通常将原
子分子系统作简化处理，只关注与激光过程有关的能级。
掺钕钇铝石榴石是以Y3Al5O12为基质，Nd3+作为激光离子。钇铝石榴石属于立方晶系，YAG：Nd3+激光跃迁能级属于四能级系统，其激光过程是在亚稳态能级E3（激光上能级）和能级E2（激光下能级）间发生的，基态E1上的离子经泵浦被抽运到宽的泵浦带E4上，然后经快速无辐射驰豫振荡跃迁到激光上能级E3，由于激光下能级E2上仅有按玻尔兹曼分布的粒子，几乎可以认为是空的，因此四能级系统具有较高的阈值和效率。
当在光泵激发作用下，基本粒子获得能量，产生能级E1-E3（或E1-E4）的受激吸收跃迁过程，但被激发到E3或E4上的粒子是很不稳定的，它们纷纷放出各自能量，很快跃迁到寿命较长的亚稳态能级之上，在此能级E1和E2之间便产生一定频率的光放大过程，实际上构成了激光放大器。如果提供适当的反馈，即将激光棒置于由两块平行平面反射镜构成的光学谐振腔的轴线上，这样由自发辐射产生的光子在增益介质内，沿着腔轴来回传输，当光束能量在腔内来回一次的放大量足以补偿各种损耗，即达到阈值条件。当光泵的激发作用超过阈值时，便形成受激辐射产生激光输出[4]。
三、Nd：YAG激光器的应用
（一）长脉冲激光在医学方面的应用
近年来，激光医学在国内取得了长足的发展：利用激光来治疗眼病，从而代替了以前复杂的眼科手术；利用激光的局部加热和光敏作用，治疗浅表和内脏肿瘤；利用拉曼光谱来鉴别贫血症状，预测早期白内障；利用激光的热效应进行心肌打孔来治疗心血管疾病；利用弱激光对生物组织的刺激作用，使之应用于中医诊疗等领域[5]。
目前市场上，长脉冲激光在激光脱毛以及其他皮肤性疾病治疗方面取得了很好的进展，Nd:YAG激光器产生的1064nm长脉冲激光作用在毛囊，导致毛囊受到不可逆的破坏，结果造成毛发不在生长，长脉冲激光不仅在治疗皮肤血管类疾病和激光美容方面十分有效，还能达到安全、永久去毛的目的，并且间歇式长脉冲技术可以有效地避免在治疗中对皮肤的灼伤。
（二）在焊接方面的应用
激光焊接主要利用激光方向性好、输出功率高的特性，用聚焦装置使激光光束聚焦成尺寸很小的光斑，获得很高的能量密度来熔化、气化被焊材料，这种方法在微细和精密焊接有独特的优越性。
激光焊接在限制热影响区的尺寸、降低焊接表面粗糙度、消除其机械影响等方面具有重要意义，目前使用的激光焊接器主要有CO2激光器和掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）两种，前者的应用范围较广，但在相同的功率下，YAG激光焊点直径远小于CO2激光焊点，单从这点看来，后者更适用于精密焊接[6]。
掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）在工业上的应用已经得到证明，这种激光器具有安全可靠、加工安全、控制简单的特点。发射的单脉冲功率可达107W或更高，可以极快的加工材料，具有高峰值的脉冲激光器的加工质量高于具有相同功率等级的平均功率激光器[7]。Nd：YAG激光器的典型脉冲频率为0.05—50.0KHz，平均功率为20—50W，激光器效率为4%—7%，在关键部件焊接领域与激光器有一定的竞争力。电子束装置工作时需要高真空环境才能稳定工作。相反，激光焊接在保护气体，如氩、氦、二氧化碳环境中工作，并且与电子束和电弧不同，激光焊接不受工作环境中磁场的影响，这保证了整个焊接过程中的焊接质量。
四、发展前景
到目前为止，国内外有关于激光陶瓷的研究主要集中在以YAG和Y2O3为基质的陶瓷材料上，而无论是在振荡阈值、光转换效率，Nd:YAG激光陶瓷材料都与单晶相近，而在功率输出方面更有望超过单晶，并且激光陶瓷的制备方面也有很多优点，掺杂量远高于单晶，特别是最近几年，Nd:YAG激光陶瓷的研究也取得了很大的进展，在功率输出、激光效率等方面都有所提高[8]。
由于激光陶瓷制备技术的优点，激光陶瓷的下一个可能发展方向就是多功能、多层陶瓷，因此下一步的工作就是把多功能、多层陶瓷和调Q以及拉曼相结合。通过设计更好的大功率抽运系统，提高最大输出功率和转换效率来提高激光陶瓷激光器输出激光质量。
参考文献
[1]李晓蕾.超声雾化共沉淀法制备纳米YAG粉体[D].北京：清华大学材料科学与工程系，2011.[2]刘文斌.Nd：YAG透明陶瓷的制备、显微结构及激光性能研究 [D].2012.[3]刘亚东,姚志健.YAG陶瓷激光器的研究进展[J].激光技术.2013,37（5）.[4]鄢歆.高峰值功率高脉冲能量Nd:YAG激光器研究[D].北京：北京工业大学，2008.[5]马聪.泵浦电流平稳的间歇式长脉冲Nd:YAG激光电源的研究[D].天津：天津大学.2008.[6]李俊秀.YAG激光在超精细焊接中的应用研究[D].吉林：长春理工大学.2003.[7]高兰兰.Nd：YAG激光器在焊接中的应用[J].激光技术与应用：光机电信息.2004.[8]王小坤,曾智江,朱三根,龚海梅.激光陶瓷的研究进展 [J].中国陶瓷工业2006，13（2）.
第二篇：scripta materialia中科院上海硅酸盐所李江课题组在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列进展
scripta materialia中科院上海硅酸盐所李江课题组在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列进展
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员带领的透明与光功能陶瓷研究课题组在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究中取得重要进展。该团队采用共沉淀法合成了0.5at% Ho:TAG纳米粉体，再结合真空烧结及热等静压后处理（HIP）技术制备得到了具有优异光学质量和磁光性能的Ho:TAG透明陶瓷，该材料在1064 nm波长处的直线透过率达到81.9%，在632.8 nm处的Verdet常数为-183.1 rad·T-1·m-1，比商用TGG单晶高36%。相关研究成果发表于国际著名期刊Scripta Materialia上，论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生戴佳卫，通讯作者为李江研究员。（DOI：10.1016/j.scriptamat.2018.03.021）
该工作获得了审稿人的高度评价，审稿人认为“This is a novel paper on magneto-optical Verdet constant data on a transparent ceramic material that is quite hard to grow as a single crystal”。鉴于该工作的影响力，研究团队随后受Scripta Materialia期刊主编Subhash H.Risbud博士（美国加州大学戴维斯分校教授）邀请撰写了关于磁光陶瓷领域的观点类文章“Promising Magneto-optical Ceramics for High Power Faraday Isolators”，并以Viewpoint Paper的形式发表在Scripta Materialia上。（DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.06.031）?? ? 近期，该研究团队又通过顺磁性稀土离子掺杂对TAG陶瓷进行了性能调控，并取得了新的研究进展。他们以离子半径和Tb3+接近的Ce3+和Pr3+为改性离子，成功制备了高光学质量的Ce:TAG和Pr:TAG磁光陶瓷。研究发现，由于掺杂离子对晶体场的影响以及和Tb3+之间存在超交换作用，掺杂后TAG磁光陶瓷的Verdet常数均有所提升，其中2.0at% Ce:TAG透明陶瓷在632.8 nm处的Verdet常数达到-196.2 rad·T-1·m-1，比TAG陶瓷和商业TGG晶体分别提高了9%和46%。相关成果发表在Scripta Materialia上。（DOI：10.1016/j.scriptamat.2018.06.023）??
以上研究工作得到中国科学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、中国科学院上海硅酸盐研究所重点学科建设项目等资助。原文链接：https://www.xiexiebang.com/zixun/23354看更多新鲜资讯，搜ChemBeanGo！下载APP进入ChemBeanGo化学信息及科研用品交易平台
点击咨询 