李江课题组：钇钪铝石榴石激光陶瓷研究中取得系列进展

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钇铝石榴石（Y3Al5O12，YAG）是一种性能非常优异的固体激光基质材料，具有透光范围宽、理论透过率高、热导率高等特点。并且在YAG基质中，位于十二面体格位的Y3+以及位于八面体格位和四面体格位的Al3+可以被性质相似的其他离子取代，形成多组分石榴石材料来实现对其性能的调控，从而达到其应用的多功能化。例如热导率的改变，激活离子吸收、发射峰的峰形展宽以及峰位移动、荧光寿命的调整等。在YAG基质材料中引入Sc3+形成Y3ScxAl5-xO12（0≤x≤2）是通过组分设计来实现其性能调控非常有效的方式。如在Yb:YSAG中，Sc3+的引入可以增加晶体场的起伏，从而导致Yb3+发射谱峰的非均匀加宽，有利于超快飞秒脉冲激光生成。

　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李江团队在Yb:YSAG激光陶瓷研究中取得系列进展。该团队通过反应烧结结合热等静压后处理（HIP）技术成功制备了10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷，Yb3+的1030nm处的发射峰半高宽约为10 at.% Yb:YAG陶瓷的1.3倍，非常有利于超快飞秒脉冲激光生成。团队与意大利国立光学系统研究所和意大利国立应用物理研究所合作，实现了Yb:Y3ScAl4O12陶瓷的高效激光输出。使用929.4nm光纤耦合激光二极管（LD）泵浦，实现了斜率效率为67.6%、激光输出功率为11.3W的准连续（QCW）激光输出（目前报道的该种材料的最大激光输出功率）。相关工作结果发表在美国陶瓷学会会刊上（J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10.1111/jace.16691）。

　　该团队研究了不同Yb3+掺杂浓度对Yb:Y3ScAl4O12陶瓷微观结构以及光学性能的影响，10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷具有最优的光学质量和激光性能。另外也探究了不同Sc3+含量对10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12陶瓷性能的影响。随着Sc3+含量的增加，Yb3+发射峰的半高宽也在相应地增加，其中Sc3+含量为1.5的10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12陶瓷在1030nm处发射峰宽为10 at.% Yb:YAG的1.4倍，理论上能产生大约100fs的脉冲激光。对10 at.% Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12透明陶瓷进行激光性能测试，得到了10.8W的准连续激光输出，相应的斜率效率为66.4%，可调谐激光波长范围为86.2nm（988-1074.2nm），为目前报道的Yb:YSAG陶瓷的最大激光调谐范围（J. Alloys Compd., 2020, 815: 152637）。另外，通过与华东师范大学研究员李文雪合作，10 at.% Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12陶瓷采用平平腔和三镜腔针方式均实现了高效连续激光输出（Opt. Mater., 2019, 88: 339-344）。

　　Yb:YSAG激光陶瓷主要应用于1μm波段的激光生成。2μm中红外激光是一种非常重要的激光光源，它具有可被水强吸收，对人眼安全，可用石英光纤传输以及通过大气透过率高等特点。Tm3+是2μm中红外激光常用的激活离子，Tm:YSAG陶瓷相比于Tm:YAG陶瓷具有更长的荧光寿命，有利于能量的存储，是一种很有前景的中红外激光增益介质。该团队采用真空烧结技术制备了高质量的4 at.% Tm:Y3ScAl4O12透明陶瓷，并使用790nm光纤耦合LD泵浦，首次实现了该新型陶瓷材料的2μm激光输出。激光工作波长为2015nm，最大激光输出功率为0.54W，对应的斜率效率为4.8%（J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10. 1111/jace.16873）。以上系列论文的第一作者为上海硅酸盐所博士研究生冯亚刚，通讯作者为李江。

　　相关研究工作得到中科院前沿科学重点研究计划项目（院青年拔尖人才项目）、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、上海硅酸盐所重点学科建设项目等资助。

       钇铝石榴石晶体是人造化合物，没有天然矿物。均质体，硬度高。在1960年以前，无色透明的钇铝石榴石曾作为钻石的代用品。分子量593.7，晶体结构立方晶体，硬度8-8.5，熔点1950℃，密度4.55g/cm3，热导率0.14W/cmK0.725原子%，热88.8J/gK0.725原子%，热扩散0.050cm2/s0.725原子%，膨胀系数6.9×10-6/0C0.725原子%，折射率1.823，0.725原子%，介质常数11.70.725原子[w1]%，色泽纯净时为无色，掺钕时为粉紫色，光吸收0.2%/cm，化学性质不溶于H2SO4HNO3，HF，溶于H3PO4>250℃ 。

      李江，男，1977年12月生，浙江绍兴人，工学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。现任中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷研究中心副主任，透明与光功能陶瓷研究团队负责人，中国硅酸盐学会溶胶-凝胶分会理事，长期致力于光学与光功能透明陶瓷的研究。2000年7月毕业于江苏大学材料科学与工程系获工学学士学位。同年8月，进入中国科学院上海硅酸盐研究所从事科研工作。2002年9月开始攻读中国科学院上海硅酸盐研究所硕博连读研究生，并于2007年7月获工学博士学位。2007年11月～2008年10月，在日本国立材料研究所（NIMS）从事为期1年的访问研究。目前主要从事光功能透明陶瓷（包括：激光陶瓷、闪烁陶瓷、磁光陶瓷、白光LED/激光显示用透明陶瓷、红外透明纳米复相陶瓷等）的设计、制备、结构与性能研究。以项目负责人承担配套项目、国家863项目、国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点项目、装发预研公用技术项目、上海市自然科学基金等10余项，以研究骨干参加与光功能透明陶瓷相关的国家自然科学重点项目、国家863项目、配套项目、院方向性项目、上海市科委重大基础研究项目、所科技创新重大项目等的研究。迄今在J. Am. Ceram. Soc.，J. Eur. Ceram. Soc.，Opt. Lett.，Opt. Express, Phys. Rev. Applied，IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron.，Laser Phys. Lett.，Opt. Mater. Express，Opt. Mater.，J. Alloys Compd.等国内外核心期刊上发表论文210余篇（其中SCI收录170余篇，第一作者及通讯作者120余篇）；合著科学出版社专著《高温结构陶瓷研究浅论》和《先进光功能透明陶瓷》2部；参与1部英文专著Modern Inorganic Synthetic Chemistry（Elsevier出版社）部分章节的撰写；参与《大辞海》（材料科学卷）部分词条的撰写；申请中国发明专利30余项（其中授权10余项）。目前为J. Am. Ceram. Soc.，Opt. Lett.，Opt. Express, Opt. Mater. Express, Appl. Phys. Lett., Dalton T, Opt. Mater., Opt. Eng., J. Alloys Compd., J. Phys. Chem. Solids, Mater. Chem. Phys., J. Mater. Res., Ceram. Int., J. Cryst. Growth, ACS Adv., J. Non-Cryst. Solids, Compos. Part B-Eng., Mater. Sci. Eng. A, Mater. Sci. Eng. B，Powder Technol.， Int. J. Appl. Ceram. Technol.，Opt. Laser Technol.，J. Rare Earth, Chin. Opt. Lett.，Chin. Phys. Lett., 无机材料学报，硅酸盐学报、光子学报、物理学报、化学物理学报和中国物理B等40余种专业期刊的通信审稿人。