中国科学院上海硅酸盐研究所的潘裕柏研究员，长期致力于激光透明陶瓷和闪烁透明陶瓷的研究，在上海市科委基础研究项目的支持下于2006年在国内首次成功利用透明陶瓷实现了激光输出。目前，在上海市科委所支持的“先进透明陶瓷制备与性能调控的基础科学问题研究”重大基础项目以及若干其他项目的资助下，潘裕柏研究员继续在光功能陶瓷领域进行研究，并在国际上已经有了一席之地。本文是对潘裕柏研究员所进行的上海市基础研究项目以及他相关其他科研项目的一个介绍。

 

　　陶瓷是我们日常生活中经常使用的一个单词，它不是一个特别专门的科学术语；陶瓷也是我们生活中的一种常用品，常用到我们甚至不需要特别解释什么是陶瓷用品。陶瓷分为粗陶，细陶，炻器，半瓷器，以及瓷器。这五种陶和瓷，虽然原料从粗到精，坯体从多孔到致密，烧结温度逐渐从低趋高，但相同的是，它们的原料都取自于自然界的硅酸盐矿物，如粘土、长石、石英等。按照传统的概念，陶瓷指的就是所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。粘土类硅酸盐矿物本身的分子结构不规则，陶瓷烧制过程中也不可避免会伴生气孔和杂质，这使得光在照射陶瓷时会被吸收和散射而无法通过，于是，人们就有了“陶瓷是不透明的”这样一个长久的看法。

 

　　随着无线电、航空、原子能、冶金、机械以及电子计算机、空间技术、新能源开发等领域的发展，区别于传统陶瓷的特种陶瓷正越来越多地出现。特种陶瓷的主要原料已经不再是粘土、长石或者石英，而更多的是纯粹的氧化物或者具有某些特殊性能的化合物。自然地，特种陶瓷的制造工艺与性能要求也与传统陶瓷有了较大的不同。特种陶瓷显然不是一个日常用词，也不再是我们习以为常的杯子或者地板砖之类的日常生活用品。潘裕柏研究员的研究对象，是特种陶瓷中的一种：透明陶瓷。

 

　　特种陶瓷虽冠以“特种”，但也仍可归为广义的陶瓷。换而言之，透明陶瓷也可算作是传统陶瓷的一种“变种”。

 

　　一般来说，陶瓷和玻璃、水泥、单晶并称为工业中常用的四大类无机材料。它们的属性各个不同。水泥和陶瓷不透明但力学性能好，一般用作建筑材料。玻璃和单晶透明但力学性能一般，一直在光学领域有较大用途。而随着工业技术的发展和社会需求的增加，现代光学领域，有时也需要力学性能较好的光学材料。单晶与玻璃相比，力学性能更好一些，因此在此领域应用更广泛，下文要说到的闪烁材料和激光材料中，单晶都是比较常用的。

 

　　但单晶也有局限。由于受制备条件限制，科学家无法将单晶做成大体积器件。因此在需要大尺寸的光学器件时，人们将目光转向了陶瓷，希望具有同样晶态结构的陶瓷可以有效替代。陶瓷产品理论上可以达到的尺寸要比单晶大的多。但问题在于，要让陶瓷成为光学用材，就应让它如玻璃和单晶一样是透明的，但陶瓷不透明这一认识早已深入人心。

 

　　上世纪80、90年代，为了提高发动机适应的燃烧温度，人们开始试图研制陶瓷发动机。虽然到目前为止在世界范围内，陶瓷发动机仍没有特别成功。但这一研发潮流连带性地推动了陶瓷材料学的发展。差不多同时，纳米技术也在全球范围内逐渐热门起来。纳米技术在制作陶瓷所需的原料的控制方面，也提供了技术支持。这两方面的技术，使人们看到了陶瓷透明化的希望。

 

　　2000年前后，使陶瓷透明的技术基本成熟。2005、2006年开始，世界上有了专门的透明陶瓷国际会议。陶瓷界最大的学术年会美国陶瓷年会和欧洲陶瓷年会，近几年也为透明陶瓷设立了分会场。透明陶瓷正逐渐从设想走向现实，近几年甚至已经开始工业应用了。

 

　　需要大尺寸的光学材料主要有两种，一种是闪烁材料，一种是激光材料。潘裕柏研究员对制备作为闪烁材料和激光材料的透明陶瓷都有研究。我们先从陶瓷闪烁材料谈起。

 

　　闪烁材料是指能够有效吸收入射的高能射线（X射线，Y射线等）、高能粒子、宇宙射线并发出紫外或可见光的一种光电功能材料。目前研究最多、应用最广泛的闪烁材料当属闪烁晶体，以及很有可能替代它的透明闪烁陶瓷。

 

　　说到闪烁晶体，人们可能不会感到特别陌生。它在我们进医院体检时几乎是必须遇到的。这里首先对闪烁的机理稍作说明。

 

　　当高速度运动的电子流轰击某些固体物质时，被击物体能发生一种看不见的电磁波，叫做X射线，X射线的穿透本领非常大，无论是人体的骨肉，还是几厘米厚的钢板，它们都能畅通无阻。X射线透过某一人的身体组织时会形成一个信号，医生可以通过比较这一信号与X射线透过健康标本时的信号，反过来审视被透视者是否健康；同理，X射线也可用来反推被检物体是否合格。

 

　　从X射线管发出的X射线，人的眼睛是看不见的。因为一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，但X射线的波长是0.01――10纳米。可是当它照射――穿过人体或物体――到一个荧光屏上时，荧光屏就会发出荧光，人们由此获得了信号，“看”到了原本看不到的东西。这就是荧光屏的成分――闪烁材料――的价值所在。当然，闪烁材料除了在X射线照射下会发出荧光，被其他高能射线如α射线、β射线照射时，也会发出荧光。

 

　　这种当高能射线照射便能发出荧光且射线愈强发出的荧光愈强的闪烁材料，之前一直由现在也扔大部分由闪烁晶体充当。不过，闪烁晶体，并不是完美的闪烁材料。

 

　　通常应用的闪烁晶体材料，都是用人工方法培育出来的，从化学成分来讲有氧化物、卤化物(包括碘化物、氟化物)等。近年来，新型数字医疗影像技术，如X射线计算机断层扫描影像术(X-CT)，正电子发射计算机断层扫描术(PLT)，心血管造影术(DSA)等的出现和发展，对应用于这些技术中的闪烁材料的性能提出了越来越高的要求。如，出于对人体安全的考虑，必须尽可能降低辐射强度和检测时间，以减少人体对各种射线的吸收，这就要求闪烁材料具备透明性好、密度高、衰减时间短，余辉短等性能以及良好的物理化学稳定性。

 

　　应对各方面对闪烁晶体的新要求，国际上很多研究小组开始致力于各种高熔点闪烁晶体的研究――之前和现在应用的闪烁晶体基本上都是低熔点的。高熔点闪烁晶体具有高密度、高光输出、快衰减、低辐射损伤等诸多优异特性。就我国而言，目前的优势主要集中在低熔点闪烁晶体方面，如碘化铯、锗酸铋、钨酸铅等的制备，在高熔点闪烁晶体的研究方面，我国与日本、美国等发达国家相比仍然存在较大差距。

 

　　但高熔点闪烁晶体并不是取代低熔点闪烁晶体的唯一选择。上世纪50年代末，美国GE公司的R.L.Dole博士研制成功透明氧化铝陶瓷（Lucalox），透明闪烁陶瓷作为一种新型的功能材料由此进入了人们的视野。相对单晶，透明陶瓷有很多突出的优势：具有与单晶相似的物理化学性质和光谱特性、工艺简单、成本低、尺寸大、可实现高浓度掺杂和大批量生产。即便退一步而言，它至少拥有高熔点闪烁晶体拥有的优势。

 

　　透明陶瓷的出现对于一直认为陶瓷是非透明的观念，是一次颠覆。美国、日本、德国等是较早开发闪烁陶瓷的国家，GE、Simens、Hitachi等公司以及一些研究单位已经开发出多种陶瓷闪烁体，并已能成功应用于医用X射线平面成像器等。我国的透明陶瓷研究的起步较早，国内如潘裕柏研究员所工作的单位中科院上海硅酸盐研究所，以及中材科技集团公司人工晶体研究院和山东大学等科研院所都在闪烁陶瓷研究方面开展了许多工作，并取得良好进展。

 

　　值得说明的是，上海硅酸盐研究所研制的闪烁透明陶瓷的性能，已经部分满足了实用要求，处于国际先进水平并受到了广泛关注。期待在不久的将来他们的成果能够应用于医疗仪器和安全探索等领域。

 

　　激光在现实生活中也常见到，比如办公室工作常用到的激光打印机和投影仪。输出激光所需的激光材料，就是那些能把电、光、射线能量转换成激光的材料。

 

　　容我们对激光的原理也稍作说明。当然说明起来可能有些晦涩，读者也可以直接跳过这两段。微观粒子都具有特定的一套能级。任一时刻粒子只能处在某一个能级上。处于高能级的电子向低能级跃迁时，会辐射出光子，这种辐射会分为两种方式。一是自发辐射，电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶。二是受激辐射，光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。激光的产生来自于受激辐射。光子射入，导致物质内部大量的光子激聚――即激光。

 

　　当然，在光子射入之后，必须满足一定的条件，才有可能有激光输出。这一个条件，就是所谓的实现“粒子数反转”的状态。原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长，电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。

 

　　要而言之，激光的效率由两方面决定。一是材料本身被激的离子自身，例如钕离子吸收波长808nm的光，能发出1064nm的光，理论效率就是75.9%（两者两除之商），其他元素吸收808nm的光，未必可以发出1064nm的光，效率也就不同了。二是由于系统和材料本身的缺陷所产生的能量损耗，导致效率下降。激光系统在运行过程中，光束在激光材料中来回反射的次数非常多，如果在激光材料中存在散射颗粒，就会导致激光被大量散射，产生非常大的损耗，所以散射损耗将极大地降低激光的输出功率。

 

　　总之，激光材料的输出功率取决于材料的组成成分，以及材料内部散射损耗的大小。这就要求科学家们首先要选择好输出激光效率较高的物质，然后发展出制备材料时尽量少伴随能散射光的气泡等因素的技术。

 

　　20世纪60年代，人们用红宝石晶体第一次输出激光；70年代，人们选择掺钕钇铝石榴石作为激光晶体；80年代，人们改用钛宝石晶体；90年代，人们开始用矾酸钇晶体。“一代材料、一代器件”，越来越多的优质激光晶体被制成激光器和应用。

 

　　钇铝石榴石单晶是目前性能最好、产量最大、用途最广的激光基质材料。但是，生长出这种晶体，一般需要2周或者更长的时间。而且在晶体生长期间，容易有杂质进入晶体。制备过程中应力和界面方面的技术难题，也限制了大尺寸晶体的产出。和闪烁晶体一样，激光晶体也面临着诸多问题。

 

　　材料科学家们曾经试图用玻璃作为激光工作物质来替代单晶。然而，玻璃虽然很容易做到大尺寸，但其在接受光时导热能力比单晶低一个数量级，且激光效率与单晶材料相比也不令人满意。随后科学家们开始考虑用陶瓷来替代单晶。1995年，日本电气通信大学的A. Ikesue等制备出高透明的钇铝石榴石单晶陶瓷，首次获得了激光输出，透明陶瓷取代单晶也由此正式进入实践。

 

　　透明陶瓷毕竟是陶瓷的一种，它的制备成本比单晶要低，它的尺寸可以比单晶大很多，它的传热效果、承受力的能力也要比玻璃好很多。

 

　　潘裕柏研究员的上海市科委支持项目“先进透明陶瓷制备与性能调控的基础科学问题研究”，也在为此领域的进一步发展作深入的研究。相信也会有优秀的成果面世。

 

　　陶瓷的透明化技术，是其能否成为晶体替代品的关键。虽然我们“科研项目科普化”这一栏目的职责之一，就是将科学技术的内容传递给公众。但就潘裕柏研究员的这一项目而言，由于涉及技术保密等问题，我们没有在此方面着墨太多。简言之，要想获得高透明的陶瓷材料，关键要使材料本身致密、气孔率低、晶粒大小适宜而均匀、晶界薄而干净。透明陶瓷的成型，主要是通过烧结工艺而完成的。所谓烧结，是使陶瓷坯体在一定的高温下(或同时在压力场或其它外场下)，发生体积收缩，实现致密化并获得一定的组织结构和强度的一个热力学与动力学过程。

 

　　2006 年中科院上海硅酸盐研究所潘裕柏研究员课题组采用高纯商业Y2O3、Al2O3 、Nd2O3 超微粉作为原料, 通过球磨混合、锻烧干燥, 在1650—— 1780 °C 真空条件下保温10小时以上, 烧结成致密的Nd：YAG透明陶瓷, 利用808纳米激光二极管端面抽运Nd：YAG陶瓷, 得到了激光输出, 输出功率为1003mW。这是中国大陆科技工作者第一次用透明陶瓷输出激光。

 

　　潘裕柏研究员说，他1985年调到上海硅酸盐所以来，一直在从事陶瓷的研究，1990年代，他研究陶瓷基的复合材料，进入2000年后，他开始关注透明陶瓷。在研究复合材料时，他思考的是如何充分利用陶瓷材料的界面作用让陶瓷与其他物相完美复合，而现在研究透明陶瓷时，他反过来又要思考消除晶界效应如何让陶瓷尽量纯净。玩转陶瓷可以说是潘裕柏研究员一直以来的工作重心。也许正是这么多年只关注一件事的一心一意和全力投入，使得他领导的上海硅酸盐研究所光功能陶瓷课题组实现了国内首次的激光陶瓷激光输出。我们有理由相信，他们在光功能陶瓷，在激光、医疗、安全检测等方面一定会给公众带来更多的惊喜。