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　　釔鋁石榴石（Y₃Al₅O₁₂，YAG）是一種性能非常優(yōu)異的固體激光基質(zhì)材料，具有透光范圍寬，理論透過(guò)率高，熱導率高等特點(diǎn)。并且在YAG基質(zhì)中，位于十二面體格位的Y³⁺以及位于八面體格位和四面體格位的Al³⁺可以被性質(zhì)相似的其他離子取代，形成多組分石榴石材料來(lái)實(shí)現對其性能的調控，從而達到其應用的多功能化。例如熱導率的改變，激活離子吸收、發(fā)射峰的峰形展寬以及峰位移動(dòng)，熒光壽命的調整等。在YAG基質(zhì)材料中引入Sc³⁺形成Y₃Sc_xAl_5-xO₁₂（0≤x≤2）是通過(guò)組分設計來(lái)實(shí)現其性能調控非常有效的方式。如在Yb:YSAG中，Sc³⁺的引入可以增加晶體場(chǎng)的起伏，從而導致Yb³⁺發(fā)射譜峰的非均勻加寬，有利于超快飛秒脈沖激光生成。 

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江研究員團隊在Yb:YSAG激光陶瓷研究中取得系列進(jìn)展。該團隊通過(guò)反應燒結結合熱等靜壓后處理（HIP）技術(shù)成功制備了10 at.% Yb:Y₃ScAl₄O₁₂激光陶瓷，Yb³⁺的1030nm處的發(fā)射峰半高寬約為10 at.% Yb:YAG陶瓷的1.3倍，非常有利于超快飛秒脈沖激光生成。團隊與意大利國立光學(xué)系統研究所和意大利國立應用物理研究所合作，實(shí)現了Yb:Y₃ScAl₄O₁₂陶瓷的高效激光輸出。使用929.4nm光纖耦合激光二極管（LD）泵浦，實(shí)現了斜率效率為67.6%、激光輸出功率為11.3W的準連續（QCW）激光輸出（目前報道的該種材料的最大激光輸出功率）。相關(guān)工作結果發(fā)表在美國陶瓷學(xué)會(huì )會(huì )刊上（J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10.1111/jace.16691）。 

　　該團隊研究了不同Yb³⁺摻雜濃度對Yb:Y₃ScAl₄O₁₂陶瓷微觀(guān)結構以及光學(xué)性能的影響，10 at.% Yb:Y₃ScAl₄O₁₂激光陶瓷具有最優(yōu)的光學(xué)質(zhì)量和激光性能。另外也探究了不同Sc³⁺含量對10 at.% Yb:Y₃Sc_xAl_5-xO₁₂陶瓷性能的影響。隨著(zhù)Sc³⁺含量的增加，Yb³⁺發(fā)射峰的半高寬也在相應地增加，其中Sc³⁺含量為1.5的10 at.% Yb:Y₃Sc_xAl_5-xO₁₂陶瓷在1030nm處發(fā)射峰寬為10 at.% Yb:YAG的1.4倍，理論上能產(chǎn)生大約100fs的脈沖激光。對10 at.% Yb:Y₃Sc_1.5Al_3.5O₁₂透明陶瓷進(jìn)行激光性能測試，得到了10.8W的準連續激光輸出，相應的斜率效率為66.4%，可調諧激光波長(cháng)范圍為86.2nm （988-1074.2nm），為目前報道的Yb:YSAG陶瓷的最大激光調諧范圍（J. Alloys Compd., 2020, 815: 152637）。另外，通過(guò)與華東師范大學(xué)李文雪研究員合作，10 at.% Yb:Y₃Sc_1.5Al_3.5O₁₂陶瓷采用平平腔和三鏡腔針?lè )绞骄鶎?shí)現了高效連續激光輸出（Opt. Mater., 2019, 88: 339-344）。 

　　Yb:YSAG激光陶瓷主要應用于1μm波段的激光生成。2μm中紅外激光是一種非常重要的激光光源，它具有可被水強吸收，對人眼安全，可用石英光纖傳輸以及通過(guò)大氣透過(guò)率高等特點(diǎn)。Tm³⁺是2μm中紅外激光常用的激活離子，Tm:YSAG陶瓷相比于Tm:YAG陶瓷具有更長(cháng)的熒光壽命，有利于能量的存儲，是一種很有前景的中紅外激光增益介質(zhì)。該團隊采用真空燒結技術(shù)制備了高質(zhì)量的4 at.% Tm:Y₃ScAl₄O₁₂透明陶瓷，并使用790nm光纖耦合LD泵浦，首次實(shí)現了該新型陶瓷材料的2μm激光輸出。激光工作波長(cháng)為2015nm，最大激光輸出功率為0.54W，對應的斜率效率為4.8%（J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10. 1111/jace.16873）。以上系列論文的第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生馮亞剛，通訊作者為李江研究員。 

　　相關(guān)研究工作得到中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃項目（院青年拔尖人才項目）、國家自然科學(xué)基金項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所重點(diǎn)學(xué)科建設項目等資助。 

10 at.% Yb:Y₃ScAl₄O₁₂激光陶瓷的(a)直線(xiàn)透過(guò)率與實(shí)物照片；(b)吸收截面與發(fā)射截面；(c)激光裝置圖；(d)準連續激光性能 

不同Sc³⁺含量10 at.% Yb:Y₃Sc_xAl_5-xO₁₂激光陶瓷的(a)直線(xiàn)透過(guò)率；(b)實(shí)物照片；(c)吸收截面；(d)發(fā)射截面

4 at.% Tm:Y₃ScAl₄O₁₂激光陶瓷的(a)直線(xiàn)透過(guò)率與實(shí)物照片；(b)吸收截面；(c)發(fā)射截面；(d)激光裝置圖與激光性能