日本北见工业大学的古濑裕章副教授、日本物质材料研究机构的金炳男组长、东京医科齿科大学的堀内尚纮助教等人组成的联合研究小组，首次成功实现了新型各向异性陶瓷的透明化，并验证了其激光振荡效果。多晶陶瓷与单晶体相比具有很多优点，例如大口径化、复合化等，但一般来说，那些由大量晶粒构成的多晶陶瓷只有对晶体取向具有均匀折射率的立方晶系材料才能获得激光品质的透光性，而此次非立方晶系材料（蓝宝石和磷灰石）仅单晶体就实现了这一性能。
不过，此次的研究发现，即使是非立方晶系材料，通过将粒度控制在光波长的约十分之一，也可以降低晶界散射，制作极高品质的透明陶瓷，而且能产生激光振荡。日本国内外的研究人员此前尝试过同样的方法，但本研究是第一次实现激光振荡。
非立方晶系材料由于对晶体取向的折射率不同（双折射），会严重受到晶界散射的影响。晶界散射的大小可以通过以下公式表示。
这里d表示晶粒尺寸，∆n表示折射率各向异性，λ表示光的波长，V表示各向异性晶粒的有效体积率。从这个公式可以看出，由于∆n是材料固有的物性值，因此只要最大限度缩小晶粒尺寸d，就能抑制晶界散射（图1）。
图1：非立方晶系陶瓷内的晶界散射概念图。（上）粒度与光的波长为相同水平时，不同晶体取向带来的微小的折射率差异会导致光通过晶界时被散射。（下）粒度远远小于光的波长时，晶界散射减轻，激光的直线透射率提高。
此次，研究小组在“粉末工程学”、“粉末冶金学”和“激光工程学”等不同领域的专家的协助下，解决了上述课题。材料选择的是氟磷灰石，这种材料作为生物材料也得到了广泛研究。
首先，为得到透光性陶瓷，研究小组通过液相合成法合成了理想的初始粉末，如图2所示，在东京医科齿科大学合成了粒度为50nm的球状颗粒。接下来，在物质材料研究机构对获得的粉末进行烧结，使其变得致密透明。通常，在高温下容易实现致密化，但存在粒度变大的问题，而在低温下又难以实现致密化。此次采用了可以借助通电效果在相对较低的温度下实现致密化的放电等离子烧结法，通过精细控制烧结动作，成功制作出了拥有平均粒度为140nm的微细组织（图3），而且散射源非常少的陶瓷（图4）。最后，在北见工业大学全球首次使晶体取向随机分布的非立方晶系陶瓷实现了激光振荡，并评测了激光振荡输出和光谱。（图5）
图2：添加了Nd的氟磷灰石初始微粉末的微细组织照片。可以看出是粒度约为50nm的球状颗粒。
图3：添加了Nd的氟磷灰石烧结体的微细组织照片。从照片中可以看出，并无残留的气孔和其他相的沉淀，实现了致密的烧结体，而且是由微晶组织构成的。估计平均粒度仅140nm。
图4：添加了Nd的氟磷灰石的直线透射光谱（上）及散射光谱（下）
可以看出波长为1000nm以上的区域几乎没有散射，实现了高品质。可以认为长波长一侧的散射系数减小。
图5：（左）添加了Nd的氟磷灰石的激光输入输出特性。针对吸收功率的激光输出效率约为6.5％。（右）激光振荡光谱。
文：JST客观日本编辑部翻译整理
