2 μm 波段处于人眼安全波长, 在医疗、加工、红外探测与对抗,以及大气环境监测等军、民两用领域有着重要潜在和实际应用。Ho3+掺杂倍半氧化物陶瓷具有宽的吸收和发射光谱、高热导率以及低声子能量等优点, 是一类重要的 2 μm 波段激光材料。通过材料固溶原理, 可以实现光谱更加宽化, 这使其有可能成为一类性能优异的中红外固体激光材料。本文以商业Y2O3、Sc2O3以及Ho2O3粉体为原料, 添加少量ZrO2(原子比为0~1.0%)作为烧结助剂, 采用真空预烧, 结合热等静压烧结的工艺, 成功制备出高透明的0.5%Ho∶(Y0.7Sc0.3)2O3陶瓷。研究了ZrO2掺杂浓度(0~1.0％)对Ho∶(Y0.7Sc0.3)2O3激光陶瓷致密化过程和光学性能的影响。通过添加ZrO2有效抑制了高温下Ho∶(Y0.7Sc0.3)2O3陶瓷晶粒的生长, 掺杂1.0％ZrO2的Ho∶(Y0.7Sc0.3)2O3陶瓷经1 690 ℃下真空预烧结4 h和1 600 ℃/190 MPa热等静压烧结3 h后, 其透过率在1 100 nm处达到79.1％(厚度为4.4 mm), 接近理论透过率。

2~5 μm中红外激光在民用和**领域的应用十分广泛。直接泵浦中红外激光增益介质材料是产生中红外激光的主要方式之一, 二价过渡金属离子Cr2+或Fe2+掺杂的ZnS或ZnSe (TM2+∶Ⅱ-Ⅵ)材料以其独特的光谱特性成为目前最具发展前景的中红外激光增益材料之一。本文首先归纳了TM2+∶Ⅱ-Ⅵ材料的主要制备技术路线, 然后重点介绍了采用激光陶瓷技术制备TM2+∶Ⅱ-Ⅵ材料的研究进展, 最后对TM2+∶Ⅱ-Ⅵ陶瓷的原料制备与烧结技术的优化进行了展望。希望以此促进TM2+∶Ⅱ-Ⅵ激光陶瓷材料的发展, 为获得高性能的TM2+∶Ⅱ-Ⅵ中红外激光器奠定关键材料基础。

设计和研制了1645 nm Er∶YAG单频脉冲激光器系统,采用注入种子技术和对称泵浦的双Er∶YAG陶瓷结构,当脉冲重复频率为200 Hz时,获得了最大平均脉冲能量为22.75 mJ、脉冲宽度为223.1 ns的单频调Q脉冲激光输出,x和y方向上的光束质量因子分别为1.16和1.15,0.5 h内单频脉冲的中心频率稳定性为578 kHz,激光脉冲输出能量的不稳定性小于0.5%。

波段为2~5 μm的中红外激光在**、医疗、通信等方面有着特殊的重要应用, 而直接产生中红外激光的增益介质主要包括气体激光介质、半导体、稀土离子或者过渡金属离子掺杂的化合物。本文首先介绍应用于中红外波段的发光离子(包括Tm3+, Ho3+, Er3+等稀土离子和Cr2+, Fe2+等过渡金属离子)光谱特性, 然后重点介绍氧化物(包括石榴石和倍半氧化物)和II-VI族化合物(主要是ZnS/ZnSe)两大类中红外激光陶瓷材料的制备与激光性能。最后, 对这两大类中红外激光陶瓷中存在的问题进行了分析, 并对其发展方向进行了展望。

具有低声子能量，高热导率的立方晶系倍半氧化物陶瓷是一种有潜力的铥掺杂激光材料，其常规3F4→3H6跃迁发射谱线可拓展至2.1 μm波段。综述了Tm∶Sc2O3、Tm∶Y2O3、Tm∶Lu2O3陶瓷的光谱参数和激光性能的研究进展，并指出复合结构及混晶型陶瓷是掺铥倍半氧化物陶瓷激光的未来发展方向。

未来二极管抽运固体激光器的重要发展方向是实现“三高”,即高功率、高效率和高光束质量的激光输出,而热效应将严重影响固体激光器的激光性能。作为极具发展前景的增益介质材料,激光陶瓷具有连续激光输出能力强、热导率高、可以高浓度掺杂等优点,并且容易实现大尺寸、批量化以及复合结构样品制备,而复合结构的增益介质可以有效改善固体激光器的热效应。其中,通过在激光陶瓷中制备光波导结构,可以高效散热、提高抽运效率,获得紧凑且具有高增益的激光系统,该类激光陶瓷有望解决“三高”固体激光器的核心问题。对光波导激光陶瓷的研究进展及其设计原理、制备方法和材料性能做了综述和介绍,最后对光波导激光陶瓷未来的研究做了展望和分析。

3～5 μm 中红外激光处于大气的窗口波段，在光谱学、遥感、医疗、环保及**等诸多领域都有重要的应用价值和前景。因此对该波段激光器的研究是目前国际上的热门课题。简要介绍了3 种产生中红外激光的方法，分别为：基于非线性理论技术、量子级联技术以及晶体掺杂离子技术，并分别指出了它们的发展趋势。

定量分析气孔大小和气孔率对陶瓷激光输出性能的影响，建立了气孔分布模型并结合Mie散射和固体激光技术相关理论，讨论气孔散射对陶瓷激光透过率和输出性能的影响。结果表明，气孔率对激光陶瓷的透过率和斜率效率有着决定性的影响。在给定的气孔尺寸分布下，气孔率越高，陶瓷透过率和激光斜率效率越低; 在给定的气孔率下，气孔中心尺寸越大，陶瓷样品的透过率和激光斜率效率越低。减小气孔尺寸至0.3 μm以下能有效提高激光斜率效率。气孔越大，激光阈值随气孔率增大而上升越快，越不利于实现激光输出。在实际工作中，改进和控制工艺减小气孔尺寸对提高陶瓷的输出性能同样有着重要意义。

为了定量分析激光陶瓷中散射损耗对其透过率的影响，通过建立气孔尺寸分布模型，引入第二相体积比概念，并结合Mie散射、瑞利散射和全散射积分等理论，讨论了激光陶瓷中气孔、晶界第二相和表面粗糙度等引起的散射损耗对激光陶瓷透光性能的影响。研究结果表明：气孔率的大小将明显影响陶瓷透过率，且气孔尺寸分布决定了透过率包络的变化趋势；晶界和表面散射对透过率的影响主要集中在短波长处；在气孔率较低情况下，晶界第二相的存在是导致短波长处透过率急剧降低的主要因素。

激光陶瓷中的各类缺陷,包括晶界、微气孔、杂质、非主晶相、表面缺陷和色心等,构成了激光陶瓷中主要的光散射和吸收中心,并对材料的热学和力学性质产生影响。讨论了各类缺陷的特点、形成机制和抑制方法。此外,还探讨了TM3+:Al2O3 (TM=Cr, Ti)透明陶瓷的掺杂问题以及制备Cr4+:Al2O3和高浓度Ti3+:Al2O3激光陶瓷的可行性。