激光材料(定稿)资料
第四章 激光材料汇总
第四章激光材料激光器是60年代初才出现的一种新颖光源，激光较普通光具有三个突出特点：第一，方向性好，亮度高；第二，单色性好；第三，相干性好。
首先，在现有的各类光源中，激光的亮度最高，比太阳表面的亮度还要高1010 倍。
激光的另一个特点是方向性好。
普通光源发出的光是向四面八方发射的，激光器则不同，他只向一定的方向发出一束几乎平行的光，光束的发射角很小。
例如，氦—氖激光器的光束发散角只有1～5mrad。
虽然探照灯的方向性较好，但它的光束在几公里之外扩展到几十米，而激光器的光束在几公里之外，扩展的范围仅有几厘米。
其次，激光的单色性好。
一般有单色光源发出的光实际上波长并不是单一的，而是有一定的波长范围，这个范围称为单色光的谱线宽度。
光的波长范围越小，谱线宽度越窄，说明它的单色性越好。
在普通光源中，单色性最好的是氪灯，发出光的谱线宽度在室温下为0.00095 nm。
氦—氖气体激光器发出的光，其谱线宽度在室温下为1×10-8 nm。
由此可知，激光器的单色性比氪灯要好上万倍。
激光还具有相干性，它有高度的空间相干性和时间相干性。
空间相干性是指从两个不同点发出的单色光相位间的相关性。
时间相干性是指从一点光源发出的单色光经过不同路径而到达同一区域时，由于时间差而产生干涉现象。
激光器发出的激光有可见光，也有红外光，紫外光甚至是x射线。
第一节激光产生的原理在正常情况下，原子中的电子大多数处于能级较低的稳定状态。
在原子受到光的照射，加热或微粒的碰撞后，就吸收外来的能量，电子便从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发状态。
处于激发状态的电子不稳定，会很快跳回到基态，同时放出能量。
能量释放的方式通常有两种，一种是以热的形式放出，称为无辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射出来，称为辐射跃迁。
辐射出来的光的频率γ由跃迁前后的两个能级之间的能量差所决定。
ν = E2-E1/h在普通光源如电灯，日光灯、高压水银灯中，处于激发状态的电子可以不受外界影响，而通过自发发射光子，从能量高的状态衰变到能量低的状态，这种过程称为自发辐射跃迁。
激光材料基础知识综述
一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而 且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高 能级的原子数目比处在低能级的还多时，受 激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。 由此可见，为使光源发射激光的关键是发光 原子处在高能级的数目比低能级上的多，这 种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件 下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因 此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生 激光的必要条件。
3 光电子技术
光电子技术与微电子技术构成了当今信息技术的 两大支柱；
光子独特的优点：极大的响应速度、极大的频宽、 极大的信息容量； 美国：通信和计算机研究与发展的未来世界属于 光 子学领域； 中国：国家863计划与973计划两个高科技计划 的重点是光电子产业；
5
中国的光谷：武汉东湖新技术开发区
4 光电子材料
含义：在光电子技术领域应用的，以光子、电子 为载体，处理、存储和传递信息的材料。
包含：固体激光材料、光纤材料、太阳能电池材
料、光显示材料等
20世纪四大发明：原子能 计算机
半导体 激光器
6
激光材料
激光的基本原理 激光材料 激光材料的应用
激光
英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated
1
光纤
2
激光器
2 光电子技术的发展
1960年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科；
1960年，美国梅曼成功研制第一台激光器——红宝石 激光器，引起连锁反应。
1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼设计和建造了 一台小型的激光发生器。他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上， 从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点 达到比太阳还高的温度 ，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。 3
激光材料
（3）激光器在医学应用 激光第一个被应用的领域是医学，并 得到了日新月异的发展。20世纪90年代为发展成熟阶段90年代 起，随着科学的进步和激光技术的发展，医用激光器与电子计 算机、纤维内镜、图象分析、摄像录像、荧光光谱、X线和超声 等新技术不断结合，使医用激光器朝着高性能、智能化、微型 化及专科化方向发展。 新型美容激光器如雨后春笋般涌现，并 取得了非常显著的成就：90年代初期应用Q开关激光治疗色素性 疾病如太田痣、文身等已取得了近乎完美的治疗效果；90年代 中、后期可变脉宽倍频激光治疗血管性疾病也取得了较好的疗 效；与此同时长脉冲红宝石激光、翠绿宝石激光、Nd：YAG激 光以及半导体激光的相继出现也使激光脱毛技术日益发展成熟； 此外，高能超脉冲CO2激光和铒激光的问世使激光除皱换肤风靡 西方世界，近来还出 现了一些无损激光除皱系统，如CoolTouch、 SmoothBeam及Nlite等，应用这些仪器术后反应轻微，临床上也 可取得一定的疗效。
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激光器的前景：
（1）光通信用可调谐激光器技术 可调谐激光器是DWDM系统及 未来全光网络中的关键器件，提升了易升级、可重构光网络的智 能性和动态性。 （2）光纤激光器 光纤激光器是近几年激光领域人们关注的热点 之一，特别是应用到光纤通信窗口的 1.55μm波长的光纤激光器以 及应用于军方和工业加工的高功率光纤激光器的发展更为迅猛 .常 规激光器的调Q、锁模等技术也都引入到了光纤激光器中，这不仅 拓宽了光纤激光器的研究领域，而且也推动了激光技术的发展 .在 同样的输出功率下，光纤激光器的光束质量、光传递特性、可靠 性和体积大小等都占有优势，此外由于光纤成本的降低和易于实 现流水化及大批量生产等特点，这不仅引起科学家们的兴趣 ,而且 更吸引产业界专家们的极大关注。光纤激光器最初在 60年代提出， 但一直进展缓慢，直至低损耗光纤制造技术和半导体激光器的发 展与应用，方为光纤激光器带来了新的前景。
激光材料
•激光晶体中的激活离子处于有序结构的晶格中，玻璃中的 激活离子处于无序结构的网络中。常用的这类激光材料以氧 化物和氟化物为主，如硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻 璃、氧化铝晶体、钇铝石榴石晶体、氟化钇锂等。
应用
世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第 一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多 个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光 医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术， 激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光 学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离 同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与 新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展 。
军事
•激光武器：利用激光的高能量密度特性来烧蚀被照射的目 标，使目标熔化、气化，从而使目标在被激光照射处形成凹 坑或造成穿孔，甚至由于高温产生高压而产生热爆炸，造成 目标结构的破坏的。
诺· 格公司第六代战机 概念是一种隐身的飞翼 战斗机，而且装备了激 光武器能同时对付多个 空中目标。但目前即使 是最好的高功率激光器 也只有32-33％的效率， 这意味每产生1兆瓦的 激光束就要发出2兆瓦ser material）把各种泵浦（电、光、射线 ）能量转换成激光的材料。激光材料主要是凝聚态物质， 以固体激光物质为主。
激光器
分类
•1.以电激励为主的半导体激光材料，一般采用异质结构， 由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积方法制得。根据 激光波长的不同，采用不同掺杂半导体材料 。。 •2.通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激光输出的发 光材料，分为晶体和非晶态玻璃两种。
激光材料
LOREM IPSUM DOLOR LOREM
激光材料
等。
激光器背景简介
随着激光优异性能的不断发现，在 通信、信息处理、医学、军事、科学 技术研究等方面的应用，研究新型激 光工作介质成为激光研究领域中的一 项重要工作。
塑料激光介质
塑料激光介质是用高分子材料作为 基质材料，以激光染料或稀土离子作 为激活离子的固体激光介质，或者以 高分子材料本身作为激光介质。
塑料激光介质
掺杂的稀土:
稀土配合物、稀土合金、稀土氧化物、 稀土氢氧化物、稀土无机盐、稀土有机 盐、稀土醇盐等几乎所有稀土化合物。 掺杂的基质材料：
几乎涉及所有热塑性和热固性树脂。
塑料激光介质
存在的问题：
（一）大多数稀土化合物与树脂 亲和性小； （二）稀土化合物难以均匀地分 散在树脂中。
塑料激光介质
激光器
激发系统(泵浦)
光学系统
激光器背景简介
传统的激光器存在着许多问题！
例如：
对于固体激光器，面临着晶体生长困难，技术 要求高，价格昂贵等问题；
激光玻璃一般需在高温条件下熔制，对于不同 的基质材料和不同的激光工作波段，还需要除去 OH 基和气体保护，工艺条件苛刻，生产成本高； 二氧化碳气体激光，虽然功率高，但其装置笨 重庞大，给需要小型化激光器的场合带来了诸多 不便。
塑料激光介质
激光器背景介绍
塑料激光介质
存在问题
激光器背景简介
激光的特性有方向性、单色性、高亮度和 相干性，这些特性使它在许多方面得到了广 泛的应用。
（一）激光加工 （二）激光通讯 （三）激光信息处理 （四）激光医学 （五）激光的军事应用 （六）激光在科学技术上的运用
激光器背景简介
激光介质(激光材料)
塑料激光介质
优点：一方面可以提高配合物稳定性， 另一方面可以改善稀土的荧光性能，工 艺简单，得到的材料有良好的发光性能。
第二章：激光材料2资料.
1、二能级系统
B12
B21
E1和E2能级上单位体
E2 积的原子数分别为n1
和n2。
A21
原子的吸收速率和受
激辐射速率都等于w
E1 A21是自发辐射系数
n2的变化率:
dn2 dt
w(n1
n2 ) n221
吸收和辐射平衡时： dn2 0 dt
n2 w n1 A21 w
2、三能级系统，红宝石激光器
（1）亚稳态能级2E分裂成2A和E两能级，跃
迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于
2A和E上,2A能级上约占47%，E能级上约占
53%。E能级比2A能级有更多的粒子数。
红宝石中铬离子的能级结构
（2）由于R1线荧光强度比R2线高,使得R1线 的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达 到阈值而形成激光振荡。
掺钕钇铝石榴石激光器工作特征
掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)
Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
Nd3＋:YAG 的能级结构
➢掺Nd3＋的YAG中属于四能级系统。
1.06um比1.35um的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振,进而抑制1.35um谱线起 振,所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um激光。
wA32 31 A32
n1
wn1 w23n2 31 A32
21
w23
3、四能级系统
快
E
慢
E3
E2
快 w
E1
在外界激励的条件下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，又迅 速转移到E3，E3是亚稳态寿命长，E2能级寿命短，到了E2能 级的粒子很快回到基态。
因此，四能级系统的粒子数反转是E2和E3之间。
有机激光材料
间接电泵浦有机激光 间接电抽运有机激光的想法是用 电抽运的光源去光抽运有机材料.
使用LED光源泵浦有机激光的机理示意, 其中使用的光栅为二维DFB光栅
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2.有机激光材料
共轭聚合物是常用的聚合物激光材料，因为其具有很多优点：
1）作为聚合物，它可以采用旋涂法得到均一性良好的薄膜； 2）共轭聚合物作为典型的四能级体系材料，具有更容易实现粒子数反转、吸收谱线 较宽、激射阈值低等优点； 3）共轭聚合物的荧光量子产率高，而且可以通过改变分子的侧链结构来改变发射峰 位； 4)既可以制备在刚性衬底上，也可以制作在大面积的柔软材料上; 5)制造方便，设备简单，成本低廉； 6)不但可以实现线光束激射，还可以实现面光束激射。
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3.研究现状及展望
波长可调谐的有机激光
在实际的应用中有机激光器必须要能够解 决波长的可调谐性问题. 在微腔激光器中, 发射波长与活性层厚度有直接联系.通过使 用锲形结构实现了在Alq3: DCM的发射波 长在595 nm到650 nm之间的连续调节. 锲形结构是通过在蒸镀的过程中使用掩膜 板来使得膜厚在180到1850 nm之间改变 得到的. 类似的,等在VECSOL的结构中利 用旋涂造成的膜厚不均(通常在边缘膜厚比 较厚)得到了40nm调节范围的激光发射. 最近, Mhibik报道了在VECSOL结构的基 础上利用不同的染料, 在同一器件结构内 获得了从蓝光到红光的超大范围波长调制。
有机材料的荧光光谱很宽, 这使得在一个 比较大的范围内调节发射光谱的波长成 为可能. 无机激光, 受材料本身以及晶格 匹配的限制, 发射波长一般来说是固定的. 有机激光材料受益于化学结构的灵活性, 可以通过改变分子结构来调节光波的发 射范围: 改变有效共轭长度, 或者改变分 子或者某个嵌段上的π轨道电子云的分布. 例如, 多并苯系列材料, 从苯开始增加苯 环至并五苯, 可以导致吸收红移。 另一 个有效的化学调控的方法是利用不对称 的推拉电子结构, 改变分子内的电子传输 特性. 随着吸电子基团的增加, 材料激发 态的偶极距会增大: 则在薄膜内或者在一 定极性的条件下,斯托克斯位移就会增加, 并最终导致发射红移.
激光材料
前景
从产业发展趋势来看，主要有以下两方面的趋势
一是：中国的激光产业发展将会区域化更加集中，中国 的激光产业将更加集中在湖北、北京、江苏、上海、和 广东（含深圳、珠海特区）等经济发达省市，形成以上 述省市为主体的华中地区、环渤海湾、长江三角洲、珠 江三角洲四大激光产业群，其中武汉，依托东湖“光谷” 的激光产业及国家自主创新示范区的发展优势，其激光 产业发展壮大将会比较迅速
激光材料
定义
激光材料主要是凝聚态物质，以固体激光物质为主 固体激光材料分为两类 一类是以电激励为主的半导体激光材料，一般采用异 质结构，由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积 方法制得。 一类是通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激光 输出的发光材料。这类材料以固体电介质为基质，分 为晶体和非晶态玻璃两种。
红外材料
是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关 的一些材料，主要介绍红外透射和辐射材料。
红外辐射材料 工程上，红外辐射材料只指能
吸收热物体辐射而发射大量红外线的材料。红外 辐射材料可分为热型、“发光”型和热—“发光” 混合型三类。红外加热技术主要采用热型红外辐 射材料。
红外透射 是能透过红外辐射的材料，用于
制造红外仪器的部件，如红外探测器的窗口、 红外仪器光学系统的透镜和棱镜等。 对这些材料的要求是：①能透过所需波段的红 外辐射；②有尽可能高的透射比；③机械强度 高；④化学稳定性好。
应用
工业上 利用的高密度和利用激光的高亮度和 高定向性的特点进行多种特殊的非接触特种加 工作业。目前比较成熟的应用有激光打孔、激 光焊接、激光切割、激光划片、激光表面处理 和激光印刷、激光信息存储等。 化学工业中 利用激光的高亮度、高单色性和 可调谐等特点，可以对特定的化学反应进行控 制，从而实现光学催化、光学聚合、光学合成、 光学提纯和光学分离等过程。
激光材料
我选择的是方向二：激光材料摘要：本文通过对相关文献的查找，主要对激光材料的研究的意义、日前世界的主要相关研究、研究技术、研究参数、和目前研究进展进行了简单的概述。
激光材料研究的意义一代材料，一代器件，激光材料是激光技术发展的核心和基础。
激光作为一种受激辐射放大的光, 它所具备的高亮度、高方向性、高单色性、高相干性以及特殊的空间分布特性、时间控制特性、偏振特性等, 使其能获得高达1010~ 1012 W/ cm2 的聚焦功率密度, 将巨大的能量集中在非常小的范围内, 迅速使材料局部温度升到上万度的高温, 并能达到1012 K/ s 的冷却速度, 从而成为一种无与伦比的材料加工工具，因此可利用激光进行多种特殊的非接触特种加工作业，另外，在化学工业、在大型装备和建筑施工、在医学领域，在军事和航天方面、等都有非常广泛的应用，而激光材料是激光技术发展的核心和基础。
作为21世纪光电子技术的支柱产业之一，美国的“激光核聚变计划”、德国的“光学促进计划”、英国的“阿维尔计划”、日本的“激光研究五年计划”等。
在我国，《国家中长期科学和技术发展规划》也把推动激光技术的发展作为16项重大规划之一。
当前在激光产业发展比较好的主要有三个地区，分别为北美，西欧及亚洲。
我国激光在对制造业尤其是装备制造业中的应用比例偏低，我国激光加工产业增长迅速，目前已经形成了环渤海、珠三角、长三角、华中四大激光产业带，四大激光产业带中，环渤海的主要是北京和辽宁的一些研究所和相关企业，珠三角则主要依靠深圳河福建两地的大型激光企业，在长三角主要依托上海科研机构，华中地区则以武汉为中心，在激光晶体材料的研究和生产方面在全国占有重要地位。
我国激光晶体的主要发展现状：我国在科研、先进制造业、能源、医疗、国防等众多领域拥有规模巨大的激光及其元器件的应用市场需求，其中基础性的激光材料及其元件的提供是一个关键，但是目前的现状是:(1)高技术含量、高附加值的激光器基本从国外进口;(2)军用杀手铜激光武器仍然处于跟踪、模仿阶段,激光材料的基础研究相对比较薄弱;高技术含量的激光晶体缺乏。
激光材料(定稿)资料共30页文档
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
激光材料word版
第四章激光材料激光器是60年代初才出现的一种新颖光源，激光较普通光具有三个突出特点：第一，方向性好，亮度高；第二，单色性好；第三，相干性好。
首先，在现有的各类光源中，激光的亮度最高，比太阳表面的亮度还要高1010 倍。
激光的另一个特点是方向性好。
普通光源发出的光是向四面八方发射的，激光器则不同，他只向一定的方向发出一束几乎平行的光，光束的发射角很小。
例如，氦—氖激光器的光束发散角只有1～5mrad。
虽然探照灯的方向性较好，但它的光束在几公里之外扩展到几十米，而激光器的光束在几公里之外，扩展的范围仅有几厘米。
其次，激光的单色性好。
一般有单色光源发出的光实际上波长并不是单一的，而是有一定的波长范围，这个范围称为单色光的谱线宽度。
光的波长范围越小，谱线宽度越窄，说明它的单色性越好。
在普通光源中，单色性最好的是氪灯，发出光的谱线宽度在室温下为0.00095 nm。
氦—氖气体激光器发出的光，其谱线宽度在室温下为1×10-8 nm。
由此可知，激光器的单色性比氪灯要好上万倍。
激光还具有相干性，它有高度的空间相干性和时间相干性。
空间相干性是指从两个不同点发出的单色光相位间的相关性。
时间相干性是指从一点光源发出的单色光经过不同路径而到达同一区域时，由于时间差而产生干涉现象。
激光器发出的激光有可见光，也有红外光，紫外光甚至是x射线。
第一节激光产生的原理在正常情况下，原子中的电子大多数处于能级较低的稳定状态。
在原子受到光的照射，加热或微粒的碰撞后，就吸收外来的能量，电子便从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发状态。
处于激发状态的电子不稳定，会很快跳回到基态，同时放出能量。
能量释放的方式通常有两种，一种是以热的形式放出，称为无辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射出来，称为辐射跃迁。
辐射出来的光的频率γ由跃迁前后的两个能级之间的能量差所决定。
ν = E2-E1/h在普通光源如电灯，日光灯、高压水银灯中，处于激发状态的电子可以不受外界影响，而通过自发发射光子，从能量高的状态衰变到能量低的状态，这种过程称为自发辐射跃迁。
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例：Nd:YAG透明陶瓷的制备工艺与分析
制备工艺
制备工艺
• 球磨混合
反应物：按 1.0at%Nd:YAG的化学剂量比称的α-Al 2O3（ 稳定相）、 Y2O3和 Nd 2O3。 助烧剂：适量的SiO2和MgO 介质：无水乙醇 行星球磨机中球磨12-24h，干燥备用
• 造粒
本实验中采用的造粒方法如下：向混合粉体中加入一定 浓度的聚乙烯醇（PVA）溶液作为成型粘结剂，PVA溶液 的添加量占粉体总质的15% ，置于研钵中磨搓动使PVA 与粉体混合均匀，然后过与粉体混合均匀，然后过 60 100 目筛网，得到粒度适中的团粒。
（一）固体激光工作物质
在激光材料中以固体激光材料最引人注目。 固体激光工作物质由激活离子和基质两部分构 成。激活离子主要有过渡金属离子(Cu2+)、三价稀 土离子(Sm3+)、二价稀土离子和锕系离子(U3+)等四 类。基质包括晶体和非晶体基质两大类。晶体基质 又分为掺杂型、自激活型和色心型三种。掺杂型晶 体基质是把激活离子掺杂到此基质中；自激活型是 把激活离子成为晶体基质的一部分；色心晶体是由 束缚在基质格点缺位周围的电子或其他离子与晶格 相互作用形成发光中心。非晶体基质主要是玻璃， 如掺钕激光基质玻璃等。
激光熔化沉积法： 举例： 沉积300M超高强度钢的显微组织
北京航空航天大学激光材料制备与成形实验室
选用真空熔炼／氩气雾化300M钢粉末为原料，选用45钢(长 100 mm×宽15 mm×高9．5 mm)作为激光熔化沉积的基 材．利用本实验室研制的动态密封／惰性气氛保护8 kW横 流连续CO2激光材料快速成形成套系统进行300M超高强度 钢薄板试样的逐层熔化沉积快速成形．激光熔化沉积主要 工艺参数如下：激光功率为3000 W，光斑直径为5 mm， 光束扫描速率为6 mm／s，单层沉积厚度约为0．5 mm．
• 后续处理
分析
当煅烧温度为1100℃时，Y2O3 和Al2O3未充分反应，但YAM相 也已经生成。升温至1200℃时， 主晶相已经变成YAM相，但还存 在Y2O3和Al2O3相。温度到达 1330℃时，主晶相变成了YAP， 还有少量的YAM存在，同时新出 现了YAG峰，说明在1330℃时， YAG相已经生成。进一步升温至 1400℃，主峰显示的是YAG相， 同时存在YAP和YAM相。温度到 达1500℃后，Y2O3和Al2O3反应 完全生成YAG相。图中结果还显 示，1400℃和1500℃所制备产 物的YAG相峰位不重合，这是因 为1500℃所制备的产物是立方 相的YAG，而1400℃产物主要是 四方晶相YAG。随着合成温度的 升高，YAG由四方相转变为立方 相。
• 激光材料是伴随激光技术的发展而发展起来的。 激光材料的出现为若干有色金属特别是稀有金属 的应用开辟了崭新的途径。 • 激光材料作为激光技术发展的核心和基础，对激 光技术的发展起着决定性的作用。1960年问世的 第一台激光器采用晶体材料Cr:Al2O3；20 世纪70 年代掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体诞生，固 体激光开始大力发展；20 世纪80 年代掺钛蓝宝 石(Ti: Al2O3) 晶体的出现使超短、超快和超强激 光成为可能，飞秒激光科学技术蓬勃发展并渗透 到各基础和应用学科领域；20 世纪90年代研制的 掺钕矾酸钇(Nd:YVO4)晶体，使固体激光器的发 展进入新时期——全固态激光科学技术。
• 从激光陶瓷的制备来看，目前商业化激光陶瓷已 经出现，而且其气孔率密度、均匀性和内部散射 损耗等性能已经赶上或者优于同种化学组分的单 晶商品。不仅如此，陶瓷材料的掺杂种类(多种激 活离子和基质)及掺杂形态也大大丰富，复合结构 和多功能材料层出不穷。这些优点给予了高性能 固体激光器前所未有的高性价比和能够满足各种 应用要求的灵活设计优势，使得长期以来光学工 程师希望按照特定激光性能要求来进行材料分子 设计以获取合适激光材料的梦想即将成为现实。
延伸：激光增材制造技术 做飞机使用加法
激光熔化沉积300M超高强度钢薄板试样表面光洁，无氧化及开裂等缺 陷．纵向和横向截面显微组织的OM照片．从图可见，由于凝固过程中 冷却速率快、温度梯度高，激光熔化沉积成形300M钢试样具有很细小、 均匀的快速凝固胞状树枝晶组织．因沉积成形时采用往复扫描方式， 其中上图名纵向截面胞状树枝晶组织呈“之”字形外延生长特征，而 下图横向截面凝固组织则呈典型的“十”字形貌．
激光熔化沉积法：
采用逐点逐层熔化沉积的方式成形．当激光光源移动到某 一沉积层内某一点时，同轴输送的金属粉末熔化，在该点 处形成熔池，同时熔池下方的已沉积成形层被加热升温， 并在光源移走后迅速降温冷却．沉积每增高一层，对已沉 积材料都进行了一次快速非稳态升温与冷却的过程．对于 存在固态相变行为的材料来说，这种快速非稳态循环升温 冷却过程，相当于对材料进行快速非稳态循环热处理，不 同沉积高度处的材料由于经历的热循环历史不同则发生的 固态相变过程也不同，从而导致沿沉积高度方向显微组织 及硬度变化．
• 排胶
我们将生片放入马弗炉中进行600℃保温4h的预烧排胶处 理，使生坯中的PVA充分分解排出
制备工艺
• 烧结
真空烧结技术:将素坯放入ZT-50-22Y型高温真空－热压石 墨电阻炉中进行烧结，在不同的烧结温度下保温，保温时 间在6-30h。
• 退火处理
由于真空烧结使用石墨电阻炉，不可避免地会存在碳污染 ，因此，采用在有氧环境1450℃下保温20h来对样品进行 退火处理，以消除碳污染以及氧空位的影响。
共沉淀法
方法：在一定温度下，将沉淀剂加入到包含一种或多种离子 的可溶性的盐溶液中，不溶性的水合氧化物、氢氧化物或盐 类从溶液中析出，将溶液和溶剂中原有的阴离子洗去，经过 脱水或热分解即可得到所需的氧化物粉体。 共沉淀法是现阶段在YAG的合成中应用较多的一种合成方法 。 优点：沉淀体可以通过水洗和醇洗去除多余的杂质离子，避 免团聚，并且易于干燥，缩短了前驱体的制备时间。成本低 廉，并能够保持溶液中的离子化学均匀性 缺点： 1、合成粉体仍然存在少量的硬团聚，粉体颗粒的分布范较 宽。 2、因为不同离子对pH值敏感程度不同，因此当合成多组分 粉料时成分分布不均匀。
2以光纤激光为代表的新型激光结构
对于高功率固体激光器而言，如何有效地对 激光介质散热处理，是获得高光束质量、高功率 输出的关键。将块状激光介质做成薄片或拉成细 长光纤形状，将会有效增大散热表面积，有利于 固体激光器散热问题的解决，这就是目前高功率 固体激光器发展的两个重要方向：薄片激光器和 光纤激光器。
• 激光材料（laser material）
• 是激活离子和基质材料的总称。激活离子在受到 外界能量激发后，离子由低能级跃迁到高能级， 又称激发态能级。当从激发态能级返回低能级时 释放能量，产生发光现象。外界能量可以是光， 电，热或高能辐射。基质材料就是为激活离子提 供一个适宜的晶体场。激活离子的光谱特征反应 了激活离子在不同能级间跃迁的状态。
激光陶瓷粉体的制备方法
• 陶瓷工艺的一个基本特点就是以粉体作为原料经 成型和烧结，形成多晶烧结体。作为起始原料的 陶瓷粉体质量的好坏直接影响最终成品的质量。 • 目前制备YAG粉体的方法：固相法、液相法、溶 胶－凝胶法、溶剂（水）热法、共沉淀法、均相 沉淀法、微波辐照法。
固相反应法
• 方法：普遍采用混合均匀的Y2O3与Al2O3原料粉 末直接按比例3:5在高温下煅烧，通过Y2O3与 Al2O3之间的固相反应依次形成Y4Al2O9(YAM)和 YAlO3(YAP)这两种中间相，最终形成YAG结构。 • 固相反应法是这种方法工艺简单、成本低、效率 高而适合大规模的工业化生产。 • 合成钇铝石榴石粉体的传统方法，虽然需要的烧 结温度高，粉体合成过程需经过多次球磨，烧结 时间相对较长
激光熔覆特点：
（1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易 得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相 （2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结 合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低 稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控； （3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时， 变形可降低到零件的装配公差内。 （4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面 熔敷高熔点合金； （5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在 0.2~2.0mm， （6）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格 （7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷； （8）工艺过程易于实现自动化。
制备工艺
制备工艺
• 成型
分成干压和等静压成型这两种成型方法。 等静压成型：将烘干研磨好的粉体过100目筛网后置于不 锈钢模具中先预压成型，采用的压力为20MPa，保压时 间为1min，然后将片子装在一个橡胶套中，抽真空后放 在等静压机中最终成型，成型压力为300MPa，保压时间 为1min，制得尺寸约为Φ9mm×2.5mm的生片。
（二）气体激光工作物质
分为原子、离子和分子气体三大类，品种很多。 以气体为工作物质的激光器称为气体激光器。
（三）液体激光工作物质
含有稀土元素的二元酮有机溶液、有机燃料溶液、 稀土元素的无机化合物溶液等三类。
（四）半导体激光工作物质
半导体激光器的作用原理乃是基于电子和空穴的辐 射复合现象。半导体激光工作物质有几十种。
分析
不同温度下制备产物的 SEM照片，可以看出， 随着煅烧温度的升高， 产物形貌发生明显的变 化，YAG颗粒在 1500℃时粒径最大，大 小约为1μ m。
分析
不同烧结温度下的断面形貌 a.1700℃ b.1720℃ c.1730℃ d.1750℃ e.1770℃
分析
不同保温时间下样品形貌 （a）6h；（b）10h； （c）16h；（d）20h； （e）30h
激光熔覆技术
激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基 体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之 和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成 稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层， 从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的材料表面改性的工艺方法。