导读：以透明陶瓷为代表的新型激光材料为新型激光器（特别是高功率激光器）的设计与制造提供了新的材料基础。

早在1964年Hatch等人就研发出世界上第一台陶瓷激光器（Dy2+:CaF2）；但直到1995年，日本科学家Ikesue等人首次开发出具有实用价值的Nd:YAG透明陶瓷，并采用激光二极管（LD）抽运方式实现了70 mW的激光输出（斜率效率为28%）。

这一研究成果极大地激发了研究人员对透明陶瓷材料的兴趣，陶瓷激光器的输出功率、光-光转换效率记录不断被刷新。2010年，Textron公司使用透明陶瓷实现了100 kW以上的激光输出，达到了战术武器级别要求。

67 kW热容激光器用大口径陶瓷片

随着制备工艺的突破，透明激光陶瓷作为激光增益介质不仅具有可与单晶相比拟的物理化学性能、光学品质、光谱和激光特性，而且具有显著的制备优势：

（1） 具有与单晶相似的物理特性、化学性质、光谱特性和激光性能。

（2） 制备周期短，生产成本低，容易实现批量化生产；容易制备出大尺寸的激光材料，且形状容易控制。

（3） 可实现高浓度掺杂，光学均匀性好，可以实现高浓度掺杂和分子水平上的均匀性。

（4） 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，如倍半氧化物Y2O3、Sc2O3和Lu2O3等（熔点约2400℃）。

（5） 可以制备多层和多功能的激光材料，为激光系统设计提供了更大的自由度。例如将Nd:YAG和Cr4+:YAG复合在一起构成被动调Q开关，甚至将调Q和受激拉曼散射效应相结合，这对单晶材料而言几乎是不可能的。

制备工艺

透明激光陶瓷典型的制备工艺分为液相反应和固相反应两种。固相反应烧结法通常使用商业化的高纯度α-Al2O3粉体、化学沉淀法制备的Y2O3粉体和Ho2O3粉体（以Ho:YAG为例），按照不同掺杂浓度Ho:YAG的化学计量比精确称取各原料粉体，复合添加MgO等烧结助剂。

以无水乙醇为球磨介质，磨球采用高纯的Al2O3磨球，将混合的原料粉体放在行星球磨机上球磨分散；球磨后的浆料放在烘箱中干燥后过筛。热处理后的粉体经压力初步成型后，再以200 MPa压力压成素坯。素坯800℃素烧后，置于真空度不低于10-3 Pa的钨丝真空炉中于1780℃下保温8~12 h，在空气中1450℃退火处理。退火结束的透明陶瓷样品经双面研磨、抛光后即可用于激光实验。

透明陶瓷

（掺杂不同稀土元素，在可见光范围显现不同颜色）

产生中红外激光的方式

在激光技术领域中，一般将中红外定义为2~5 μm波段。该波段激光在国防、医疗、通信等方面有着特殊的重要应用，但其产生、探测以及应用技术都远远落后于人们已经熟知的1 μm波段的激光。

产生中红外激光的主要方式包括：掺杂离子的直接发射、半导体技术、非线性手段等。

可以直接通过“离子间的能级跃迁”来产生中红外波段激光的稀土离子主要包括Er3+，Tm3+，Ho3+，Pr3+，Dy3+离子以及过渡金属离子Cr2+，Fe2+，Ni2+，Co2+等。稀土掺杂的基质可以是晶体、陶瓷，也可以是光纤材料。

一般来讲，稀土离子的能级丰富，同一种离子可以具有多个发射峰，这为实现多波长激光运转提供了便利的条件。使用稀土离子掺杂的激光增益材料直接产生中红外激光一直占有绝对的主导地位，其中Er3+，Tm3+和Ho3+是最常用的3种稀土离子。

透明激光陶瓷（器）的相关研究已经取得了巨大的历史进展，基本完成了“在性能上与单晶可比拟”、“以取代单晶材料”为研究目标的历史阶段。

下一阶段，透明激光陶瓷材料的研究重点或许将很快转入“充分体现透明激光陶瓷所独有的、高度灵活的制备工艺优势”，例如复合结构、超大尺寸、任意形状、超高温透明陶瓷等等。

“一代材料，一代器件。”正是材料和激光技术的相辅相成，才推动着激光行业的不断进步。

可以预见的是，透明激光陶瓷新材料和新功能器件的不断涌现，将会推动激光技术的持续发展，获得更多的突破。