透明陶瓷作为新一代固体激光器增益介质，其与单晶材料相比具有制备温度低，掺杂均匀性好等优势，是当今固体激光材料的研究热点。然而，陶瓷内部的结构缺陷(如空位、团簇等)极大地制约其光学质量提升与工作特性，特别是在高能射线环境下，极易产生色心缺陷使陶瓷“着色”。众所周知，烧结助剂的使用是陶瓷与单晶在制备上的最大区别之一，助剂阳离子价态差异使其在晶格取代中电荷补偿机制不同，导致透明陶瓷中缺陷态及色心存在极大差异性。因此，探究烧结助剂诱导下透明陶瓷中缺陷及色心的产生及湮灭规律意义重大。

近日，物电学院重点实验室张乐副教授与美国博林格林州立大学合作，采用正电子湮灭技术，系统研究了钙镁烧结助剂体系YAG透明陶瓷在高能射线辐照下，于-190-400 ^oC范围内的深浅陷阱密度分布、缺陷寿命及其浓度演变过程，成果发表在国际著名光学类期刊《Photonics Research》上(JCR一区期刊，影响因子5.24)，论文题目为“Defects and solarization in YAG transparent ceramics”，物电学院陈浩教授和美国Farida A Selim教授为论文共同通讯作者。该研究通过引入正电子，探究其在陶瓷中的衰变特性，首次在原子尺度上对YAG透明陶瓷的微观结构和缺陷态进行系统研究，报道了与索拉效应相关的新物理和化学现象，揭示了烧结助剂阳离子价态及烧结退火工艺使用对陶瓷内部缺陷尺寸、种类及浓度的影响规律，对透明陶瓷的高质量制备及其在激光、闪烁和固态照明等领域的应用具有积极意义。

图1  文章图文摘要及YAG陶瓷正电子湮没寿命图谱(Photonics Res.)

江苏省先进激光材料与器件重点实验室近期在透明陶瓷烧结助剂设计、致密化及缺陷研究上开展了系统性的研究工作，取得了系列突破性成果，特别是在国际上首次报道了非硅助剂系列下实现高质量YAG透明陶瓷制备，相关研究成果发表在J. Am. Ceram. Soc. 101 [2]: 703-712 (2018)与J. Eur. Ceram. Soc. 38 [2]: 687-693 (2017)等陶瓷领域权威期刊上（与南京工业大学合作，周天元为主要完成人），并申请多项发明专利(ZL 201710428544.1, ZL 201710427573.6和ZL 201710803357.7)。同时，对钙镁助剂下YAG透明陶瓷退火效应进行了缺陷态探究，通过创新空位理论，揭示了离子取代与色心产生的内在关联(J. Eur. Ceram. Soc. 101 [13]: 4123-4128 (2017))。进一步通过优化钙镁烧结助剂配方设计，实现了良好光学质量和充分Cr⁴⁺离子转化Cr⁴⁺: YAG透明陶瓷的制备及Cr⁴⁺离子转化率调控(J. Am. Ceram. Soc. 98 [8]: 2459-2464 (2015)，J. Alloys Compd. 703: 34-39 (2017))。在此基础上，根据Cr: YAG透明陶瓷的被动调Q实验，首次证实了Cr⁴⁺在透明陶瓷中的转化率高于同类单晶1个数量级，并实现了高重频，有望实现器件的小型化，并产生新的激光工作模式。

图2  钙镁助剂下YAG透明陶瓷显微结构特征及光学特性(J. Am. Ceram. Soc., J. Eur. Ceram. Soc.)

图3  实验证实Cr⁴⁺在透明陶瓷中转化率高于单晶1个数量级

本研究得到了江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)、国家自然科学基金(61775088, 51402133, 61603160)、江苏省重点研发计划(BE2018062)，徐州市科技重点研发计划(KC16GZ014)及江苏省研究生科研实践创新计划系列项目的资助。

作者简介：

张乐

物电学院副教授，主要从事光功能透明陶瓷的设计、制备与性能调控研究，及其成果转化。以项目负责人承担国防科工局、国家自然基金等国家级项目2项，以研究骨干参与国防预研、省市重点研发计划等多项。近五年，以第一作者或通讯作者在Photonics Res., J. Mater. Chem., J. Am. Ceram. Soc.等国际期刊上发表SCI论文32篇，综述3篇。以第一发明人授权发明专利12项，已转让5项，成功实施科技成果转化1项。入选江苏省“六大人才高峰”、江苏省“双创博士”，获评2018年度美国陶瓷学会优秀审稿专家。

周天元

物电学院2018年引进博士，主要研究方向为光功能透明陶瓷制备与光学应用，以第一作者身份在J. Am. Ceram. Soc.、J. Eur. Ceram. Soc.等SCI期刊上发表论文8篇，申请发明专利3项。

附相关链接：

Photonics Res.全文链接：

https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-7-5-549

J. Am. Ceram. Soc.全文链接：

https://ceramics.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jace.15233

J. Eur. Ceram. Soc.(1)全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221917306052

J. Eur. Ceram. Soc. (2)全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221917303734