日本北見工業大學的古瀨裕章副教授、日本物質材料研究機構的金炳男組長、東京醫科齒科大學的堀内尚紘助教等人組成的聯合研究小組，首次成功實施了新型各向異性陶瓷的透明化，並驗證了其雷射振盪效果。多晶陶瓷與單晶體相比具有很多優點，例如大口徑化、復合化等，但一般來說，那些由大量晶粒構成的多晶陶瓷只有對晶體取向具有均勻折射率的立方晶系材料才能獲得雷射品質的透光性，而此次非立方晶系材料（藍寶石和磷灰石）僅單晶體就實施了這一性能。
不過，此次的研究發現，即使是非立方晶系材料，透過將粒度控制在光波長的約十分之一，也可以降低晶界散射，製作極高品質的透明陶瓷，而且能產生雷射振盪。日本國内外的研究人員此前嘗試過同樣的方法，但本研究是第一次實施雷射振盪。
非立方晶系材料由於對晶體取向的折射率不同（雙折射），會嚴重受到晶界散射的影響。晶界散射的大小可以透過以下公式表示。
這裏d表示晶粒尺寸，∆n表示折射率各向異性，λ表示光的波長，V表示各向異性晶粒的有效體積率。從這個公式可以看出，由於∆n是材料固有的物性值，因此只要最大限度等比縮小晶粒尺寸d，就能抑制晶界散射（圖1）。
圖1：非立方晶系陶瓷内的晶界散射概念圖。（上）粒度與光的波長爲相同水平時，不同晶體取向帶來的微小的折射率差異會導致光透過晶界時被散射。（下）粒度遠遠小於光的波長時，晶界散射減輕，雷射的直線透射率提高。
此次，研究小組在「粉末工程學」、「粉末冶金學」和「雷射工程學」等不同領域的專家的協助下，解決了上述課題。材料選擇的是氟磷灰石，這種材料作爲生物材料也得到了廣泛研究。
首先，爲得到透光性陶瓷，研究小組透過液相合成法合成了理想的初始粉末，如圖2所示，在東京醫科齒科大學合成了粒度爲50nm的球狀顆粒。接下來，在物質材料研究機構對獲得的粉末進行燒結，使其變得緻密透明。通常，在高溫下容易實施緻密化，但存在粒度變大的問題，而在低溫下又難以實施緻密化。此次採用了可以藉助通電效果在相對較低的溫度下實施緻密化的火花電漿燒結法，透過精細控制燒結動作，成功製作出了擁有平均粒度爲140nm的微細組織（圖3），而且散射源非常少的陶瓷（圖4）。最後，在北見工業大學全球首次使晶體取向隨機分布的非立方晶系陶瓷實施了雷射振盪，並評測了雷射振盪輸出和光譜。（圖5）
圖2：添加了Nd的氟磷灰石初始微粉末的微細組織照片。可以看出是粒度約爲50nm的球狀顆粒。
圖3：添加了Nd的氟磷灰石燒結體的微細組織照片。從照片中可以看出，並無殘留的氣孔和其他相的沉澱，實施了緻密的燒結體，而且是由微晶組織構成的。估計平均粒度僅140nm。
圖4：添加了Nd的氟磷灰石的直線透射光譜（上）及散射光譜（下）
可以看出波長爲1000nm以上的區域幾乎沒有散射，實施了高品質。可以認爲長波長一側的散射係數減小。
圖5：（左）添加了Nd的氟磷灰石的雷射輸入輸出特性。針對吸收功率的雷射輸出效率約爲6.5％。（右）雷射振盪光譜。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
