釔鋁石榴石（Y3Al5O12，YAG）是一種性能非常優(yōu)異的固體激光基質材料，具有透光范圍寬，理論透過率高，熱導率高等特點。并且在YAG基質中，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＋可以被性質相似的其他離子取代，形成多組分石榴石材料來實現(xiàn)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，熒光壽命的調整等。在YAG基質材料中引入Sc3＋形成Y3ScxAl5－xO12（0≤x≤2）是通過組分設計來實現(xiàn)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展。該團隊通過反應燒結結合熱等靜壓后處理（HIP）技術成功制備了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系統(tǒng)研究所和意大利國立應用物理研究所合作，實現(xiàn)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，實現(xiàn)了斜率效率為67.6％、激光輸出功率為11.3W的準連續(xù)（QCW）激光輸出（目前報道的該種材料的最大激光輸出功率）。相關工作結果發(fā)表在美國陶瓷學會會刊上（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陶瓷微觀結構以及光學性能的影響，10 at.％ Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷具有最優(yōu)的光學質量和激光性能。另外也探究了不同Sc3＋含量對10 at.％ Yb:Y3ScxAl5－xO12陶瓷性能的影響。隨著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:Y3ScxAl5－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:Y3Sc1.5Al3.5O12透明陶瓷進行激光性能測試，得到了10.8W的準連續(xù)激光輸出，相應的斜率效率為66.4％，可調諧激光波長范圍為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，通過與華東師范大學李文雪研究員合作，10 at.％ Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12陶瓷采用平平腔和三鏡腔針方式均實現(xiàn)了高效連續(xù)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大氣透過率高等特點。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。該團隊采用真空燒結技術制備了高質量的4 at.％ Tm:Y3ScAl4O12透明陶瓷，并使用790nm光纖耦合LD泵浦，首次實現(xiàn)了該新型陶瓷材料的2μm激光輸出。激光工作波長為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。

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