В последние годы резко возрос интерес к оптическим керамикам, в первую очередь, на основе важнейшего материала твердотельных лазеров - иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12:Nd3+ (ИАГ:Nd), а также на основе оксидов редкоземельных элементов. Такая керами-ка может быть использована, например, при создании изделий, работающих при высоких температурах, в силу весьма малой ползучести при таких условиях, в качестве колб газораз-рядных ламп с различным спектром свечения, оптических окон с широким интервалом про-зрачности, в качестве оптических и люминесцирующих элементов, чувствительных элементов детекторов рентгеновского излучения, магнитооптических элементов и особенно в качестве активных элементов мощных и сверхмощных твердотельных лазеров. Со-временные методы получения оптических оксидных керамик основаны, главным образом, на использовании нанопорошков оксидов, т.е. являются методами нанотехнологии.

Уже много лет в ряде ведущих лазерных организаций Японии, США, КНР и России ак-тивно проводятся исследования по разработке твердотельных лазеров с керамическими актив-ными элементами. Спектроскопические и генерационные свойства лазерных керамик близки к таковым для кристаллов того же состава, а механические свойства лучше, чем у кристаллов. Керамики, в отличие от монокристаллов, могут быть получены в форме образцов достаточно больших размеров при обеспечении высокой оптической однородности и возможности введе-ния повышенной концентрации активаторных ионов при их однородном распределении по объему. Современные пластинчатые образцы керамики ИАГ:Nd, производимые японской фирмой Konoshima Chemical Co., позволили получить выходную мощность твердотельного ла-зера 67 КВт в квазинепрерывном режиме с полупроводниковой диодной накачкой]. В по-следнее время промышленная технология лазерной керамики ИАГ:Nd разрабатывается фир-мой Raytheon, известным производителем компонентов и систем датчиков для спецпримене-ний. Эта компания и фирма Northrop Grumman уже провели испытания прототипов ла-зерных модулей на основе керамики ИАГ:Nd c выходной мощностью 15-20 КВт в квазине-прерывном режиме, с целью создания полевого лазера мощностью 100 кВт. Мощные твер-дотельные лазеры с активными элементами из лазерной керамики имеют ряд преимуществ по сравнению с ныне используемыми химическими лазерами – компактность, быстроту запуска, простоту управления, безопасность для персонала и т.д. Поэтому разработка нанокерамики для таких лазеров является важной и актуальной задачей.

В настоящее время есть два основных подхода к получению исходных материалов для таких керамик: обычный твердофазный керамический синтез (ТФС) с использованием оксидов, и нанотехнология химического соосаждения с последующей прокалкой осадков-прекурсоров до получения нанопорошков готовых соединений необходимого качества и шликерным литьем заготовок (НХСШЛ). В обоих случаях обычно используются исходные нанопорошки, а процесс спекания компактированных образцов вы-полняется в вакууме или в атмосфере водорода при температурах 1700-1900 оС. Процесс ТФС включает смешение коммерческих нанопорошков, холодное изостатическое прессование пресс-порошков с органическим связующим после их распылительной сушки (обе операции требуют достаточно сложного и дорогого оборудования) и спекание компактов в вакууме. Этот метод не может обеспечить однородное распределение лазерных ионов на молекуляр-ном уровне и имеет некоторые ограничения по величине оптических потерь. Метод НХСШЛ включает шликерное литье в пористые формы. Используемые здесь нанопорошки с нанозер-нами сферической формы обычно получаются путем процесса химического соосаждения из хлоридных растворов. Оба этих подхода могут дать керамические материалы приемле-мого качества, однако, размеры получаемых элементов больше, а оптические потери в них меньше при использовании химического соосаждения. Поэтому мы в наших институтах РАН использовали этот метод со значительной модификацией для получения лазерной нанокера-мики ИАГ:Nd.

Наноразмерные порошки ИАГ получались путем термообработки прекурсоров, осаж-даемых из водных растворов нитратов Y, Nd и Al. В качестве источника Al использовались также квасцы NH4Al(SO4)2.12 Н2О. Осадителем служил раствор бикарбоната аммония. Полу-ченные осадки прекурсоров промывались и высушивались до постоянного веса при нагреве до 105 – 140 оС. Нанопорошки ИАГ:Nd. получались путем температурной обработки прекурсо-ров при их нагреве до заданной температуры в пределах 850 – 1300оС и выдержке при этой температуре от 1 до 5 часов на воздухе. Контролировались химический состав, морфология и величина удельной поверхности как прекурсоров, так и порошков ИАГ:Nd, полученных про-калкой. Было исследовано влияние скорости сливания растворов на фазовый состав, морфоло-гию и размер наночастиц ИАГ:Nd, выбраны оптимальные условия соосаждения и создана достаточно производительная автоматизированная установка для проведения этого процесса.

Полученные порошки имели форму зерен, близкую к сферической. По мере увеличения температуры синтеза удельная поверхность порошков ИАГ:Nd уменьшается. Так, если пре-курсор имел величину поверхности 95 м2/г, то после синтеза при 950оС она снижалась до 40 м2/г, а после синтеза при 1000 и 1300 оС до 29 и 3 м2/г соответственно. Наиболее сущест-венными требованиями к порошкам для получения прозрачной керамики является именно малый размер зерен (порядка 100 нм), сферичность формы и монодисперсность. Полученные нанопорошки ИАГ:Nd., в основном, удовлетворяют этим требованиям. Поскольку нанопо-рошки имеют большую склонность к агломерации, весьма важным дополнительным требова-нием является отсутствие жестких агломератов, которые практически не разрушаются при по-следующем помоле.

Тщательный выбор условий эксперимента позволил получать слабо агломерированные нанопорошки ИАГ:Nd с диаметром частиц от 60 до 200 нм. Очень сложной проблемой являет-ся компактирование нанопорошков. Проанализировано несколько методов компактирования, но наиболее детально нами изучено компактирование нанопорошков ИАГ:Nd методом колло-идного литья под давлением из водных шликеров с добавкой полиакрилата аммония в качестве дисперганта. Эта методика позволяет снизить требования к качеству нанопорошков за счет применения значительного внешнего давления (до 200 МПа). Суспензия нанопорошка ИАГ:Nd в воде подвергалась помолу в агатовой ступке с агатовыми шарами для разрушения мягких агломератов. Добавка в суспензию полиакрилата аммония существенно понижает вяз-кость шликера даже при высокой концентрации в нем сухого вещества (до 44 объемных %). Все это дает возможность получить заготовки с плотностью, превышающей 60% от теоретиче-ской плотности монокристалла ИАГ:Nd. Заготовки диаметром 27 и толщиной 2-9 мм спека-лись в вакууме при 1700-1800 оС. Спектры поглощения и люминесценции полученных про-зрачных керамик ИАГ:Nd соответствуют спектрам монокристаллов .

Первые результаты по генерации квазинепрерывного низкопорогового стимулированного излучения (1.064 и 0.946 мкм) были получены  с тонкими (около 1,5 мм) пластинками из керамики ИАГ:Nd с входной средней мощностью около одного ватта при использовании диод-но-лазерной накачки. Пути улучшения параметров генерации очевидны – оптимизация условий лазерного возбуждения, подбор зеркал, увеличение толщины элемента, изменение формы эле-ментов для улучшения теплоотвода и т.д. Например, с керамической пластинкой толщиной около 5 мм при тех же условиях возбуждения была получена выходная мощность генерации около 3 Вт  при мощности накачки около 18 Вт. Разработанная нами нанотехнология по-зволяет получать керамические ИАГ:Nd элементы для лазеров с выходной мощностью до 100Вт. В настоящее время проводится модификация технологии для получения элементов больше-го размера.

Указанные выше результаты относятся к области практического применения. Есть целый ряд направлений дальнейшего развития этих работ. Это расширение номенклатуры оксидов для лазерных керамик, включая, например, разупорядоченные среды для активных элементов лазе-ров с ультракороткими импульсами излучения, расширение перечня используемых генерирую-щих активаторных ионов, создание сложных оптических структур (в том числе, волноводных) и управляемого распределения активаторов для улучшения выходных параметров лазеров, изу-чение эффектов вынужденного комбинационного рассеяния в керамике и т.д. В целом, создание и изучение оксидной лазерной нанокерамики в последние годы является быстро растущей об-ластью науки и практики.