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| 編輯推薦： |
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本书列入“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划·重大出版工程规划项目，受国家出版基金资助。本书既可作为激光相关材料和器件研究、生产与管理人员的参考资料，也可作为激光陶瓷相关课程的教材和科普读物。
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| 內容簡介： |
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已实现千瓦级激光的透明激光陶瓷为现有的、基于晶体和玻璃的激光应用带来了革新，奠定了未来实现核聚变和空间太阳能收集等先进工程的基础，有助于中国“稀土经济”的发展。结合工程实践案例，本书从光功能材料研究的视角，系统介绍了这类新兴材料的结构、性能、制备、应用和发展，包括历史起源，独特多晶结构的影响，从传统不透明到透明激光应用时陶瓷结构和工艺所需的改进与理论机制，面向材料激光的虚拟设计与模拟，以及对今后技术和材料发展的展望。
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| 關於作者： |
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陈昊鸿，博士，副研究员，2003年起就职于中科院上海硅酸盐研究所，现主要从事激光、闪烁和照明显示用透明陶瓷的制备与性能研究，期间参与了“先进透明陶瓷制备与性能调控的基础科学问题研究”、“激光透明陶瓷的可控制备与性能优化”等重点项目，作为第一作者及合作者发表论文近100多篇（h=25)，授权专利13项，已出版学术著/译作4部：《发光材料》、《稀土陶瓷材料》、《粉末衍射理论与实践》和《晶体结构精修》。
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| 目錄：
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第1章绪论
1．1基本概念
1．1．1透明
1．1．2激光
1．1．3陶瓷
1．1．4陶瓷组成描述
1．2陶瓷起源
1．2．1由陶到瓷的演变
1．2．2“陶瓷”术语的形成
1．3传统陶瓷
1．3．1结构陶瓷
1．3．2功能陶瓷
1．3．3复合陶瓷
1．4透明化探索
1．4．1透明陶瓷化的意义
1．4．2Lucalox陶瓷的发明
1．4．3透明陶瓷
1．4．4透明激光陶瓷的发展
1．5透明激光陶瓷
1．5．1单组分透明激光陶瓷
1．5．2多组分透明激光陶瓷
1．5．3复合透明激光陶瓷
参考文献
第2章物理化学性质
2．1激光离子与能级跃迁
2．1．1发光中心与能级跃迁
2．1．2激光的激发、发射与退激
2．1．3激光离子
2．1．4可调谐激光器
2．2晶体场效应
2．2．1晶体场与能级简介
2．2．2晶体场畸形效应与光谱展宽
2．2．3多中心发射与光色调控
2．3能带与基质效应
2．3．1发光的能带机制
2．3．2激光的基质效应
2．3．3陶瓷制备过程的影响
2．3．4发光的尺寸与掺杂缺陷效应
2．4光散射与光吸收
2．4．1陶瓷中的光散射
2．4．2晶界与双折射
2．4．3吸收、泵浦与量子亏损
2．4．4散射与吸收性能评价
2．4．5影响陶瓷透明性的因素
2．5热性质
2．5．1激光材料的温度场和热效应
2．5．2内廪散热和外源冷却
2．5．3陶瓷热传导
2．5．4面向热传导的陶瓷几何结构设计
2．6激光能级系统
2．6．1激光能级系统简介
2．6．2粒子数反转的建立
2．6．3三能级系统
2．6．4四能级系统
2．6．5能级系统的调控
2．6．6陶瓷多晶结构的微扰影响
2．7激光性能参数
2．7．1激光光束性能参数
2．7．2激光光束模式与改变
2．7．3激光材料的性能评价与陶瓷影响
参考文献
第3章制备技术和工艺
3．1粉体制备与预处理
3．1．1粉体内廪性能
3．1．2粉体制备
3．1．3粉体预处理
3．2素坯成型与预处理
3．2．1素坯的影响
3．2．2素坯成型
3．2．3素坯预处理
3．3烧结
3．3．1烧结热力学与动力学
3．3．2塑性形变与压强的影响
3．3．3气孔的排除
3．3．4烧结技术
3．3．5烧结助剂
3．3．6特殊烧结： 键合、陶瓷化与单晶化
3．4后处理与加工
3．4．1后处理需求与技术
3．4．2激光光学级加工与表征
参考文献
第4章测试表征方法
4．1组成与结构
4．1．1物相与晶体结构
4．1．2组成元素与基团
4．1．3表面分析
4．1．4组分均匀性及其测试
4．2粉体形貌
4．2．1外形与粒径分布
4．2．2比表面与团聚
4．3陶瓷微结构
4．3．1密度与致密度
4．3．2显微成像
4．3．3三维微结构
4．4陶瓷光学质量
4．4．1光的透过与散射
4．4．2散射点成像
4．4．3折射率测试
4．4．4激光光束质量对比法
4．5离子能级跃迁
4．5．1吸收与激发光谱
4．5．2发射光谱
4．5．3衰减寿命谱
4．5．4瞬态吸收光谱
4．5．5现场吸收光谱
4．5．6其他光谱与衍生分析技术
4．6陶瓷热性质与热成像
4．6．1陶瓷热性质
4．6．2组分均匀性的热成像
4．7激光性能
4．7．1激光输出性能
4．7．2激光光束质量
参考文献
第5章材料设计与性能预测
5．1引言
5．1．1试错法的金格瑞评价及其弊端
5．1．2材料设计与性能预测简介
5．1．3透明激光陶瓷与多尺度模型
5．1．4关于本章的一些说明
5．2陶瓷组成与结构设计
5．2．1相图计算
5．2．2第一性原理与新结构设计
5．2．3介观结构与陶瓷制备动力学模拟
5．2．4基于化学键理论的激光性能改进
5．3光谱计算与预测
5．3．1基质吸收光谱
5．3．2拟合法预测离子光谱
5．3．3从头法预测离子光谱
5．3．4光谱计算与预测在能量转换中的地位和作用
5．4激光光学参数计算
5．4．1JO参数
5．4．2吸收截面、受激发射截面、增益截面和激光性能参数
5．4．3理论折射率、反射率和透射率
5．4．4量子效率
5．5热传导与热冲击模拟
5．5．1有限元法简介
5．5．2热传导模拟
5．5．3热冲击模拟
5．6材料失效预测
5．6．1失效的评价与预测方法
5．6．2陶瓷失效预测
参考文献
第6章透明激光陶瓷的应用
6．1大功率固体激光器
6．1．1激光武器
6．1．2核聚变点火装置
6．2激光照明
6．2．1传统LED的问题
6．2．2定向照明与投影
6．3磁光隔离
6．3．1磁光效应
6．3．2透明磁光陶瓷
6．4激光通信
6．4．1大气与空间激光通信
6．4．2量子(激光)通信
6．5激光光电转换
6．5．1太阳光泵浦
6．5．2光伏效应与应用
6．6其他应用
参考文献
第7章展望
7．1新材料设计的“基因组计划”
7．1．1材料设计
7．1．2材料基因组计划
7．1．3高通量计算的利与弊
7．1．4应用与展望
7．2基础研究的“瓶颈”问题
7．2．1玻璃陶瓷单晶的转化
7．2．2玻璃陶瓷
7．2．3非立方结构的透明陶瓷化
7．2．4大尺寸陶瓷的组分均匀化
7．2．5烧结助剂的分布与作用
7．2．6高浓度掺杂的热力学稳定性问题
7．3制备工艺的理论化和标准化
7．3．1工艺参数的统计分析
7．3．2经验公式的建立与应用
7．3．3基于标准的质量控制和规模生产
7．4助力“稀土经济”
7．4．1“稀土经济”
7．4．2透明激光陶瓷的推动作用
参考文献
索引
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| 內容試閱：
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最早与陶瓷结缘还是20多年前在厦门大学读本科的时候，当时跟着熊兆贤教授熟悉介电陶瓷的制备流程，了解了陶瓷领域中诸如球磨、排胶、预烧和烧结等概念，期间阅读了金格瑞（Kingery）的《陶瓷导论》（中译本），随后就将研究兴趣转向了材料学、晶体学和物理化学领域，侧重于基础研究。原因与金格瑞一样，笔者对陶瓷领域长期依赖甚至已经引起金格瑞在其著作中反感的“经验”并不满意，而且已经懂得了优化制备工艺与科学研究之间的区别，因此更乐意于从理论的角度揭示那些“经验”背后的东西。
透明激光陶瓷实际上可以直接称为激光陶瓷，“透明”的前缀主要是强调其不同于一般陶瓷的外观。这是一个既传统又新颖的事物。“传统”是因为20世纪60年代激光出现后，就开始了透明激光陶瓷的探索，其历史实际上比更广为人知的激光玻璃还要早，与激光晶体几乎同时出现。然而它又是“新颖的”: 直到20世纪90年代才引起陶瓷界的注意，并发展为先进陶瓷的一个分支。而且到目前为止，相比于已经广泛进入工程应用的激光晶体和激光玻璃，透明激光陶瓷虽然在实验室样机中取得了应用，但是仍属于潜在的替代者。
这种“传统”与“新颖”之间的矛盾来源于“理论”落后于“经验”。虽然从科学史的角度来看，理论落后于经验的事情很常见，比如麦克斯韦的电磁理论就是在法拉第和安培等积累了大量电磁学经验后才出现的，但是透明激光陶瓷的这种落后却是另一回事。它不是需要某个伟人来建立新的理论，而是仅仅需要坚持原有的、长期以来被陶瓷领域的“经验”掩盖而表面看来缺失的理论，其中又以光散射理论为首。池末（Ikesue）在回忆Nd:YAG透明激光陶瓷的发展史时就强调了这一点，甚至为此宣称自己并非陶瓷学家，只是一个注意到光散射理论并想方设法在烧结陶瓷中实践它的工程师而已。
20多年后重回陶瓷领域，笔者发现这种落后仍然存在。比如MgO能不能作为Y2O3的烧结助剂得到透明激光陶瓷？如果已经假定激光陶瓷需要干净晶界作为必要条件，那么答案当然是“不能”。这是因为MgO和Y2O3都是碱性氧化物，其共熔是热力学不稳定的，反而是ZrO2或Al2O3可以尝试。遗憾的是，试图烧结Y2O3MgO体系而得到透明激光陶瓷的工作还是做了不少。虽然现在这个体系已经改向“复相陶瓷”的方向，但是仍有试图基于所谓光散射的尺寸效应去考虑小晶粒陶瓷的报道——哪怕热力学理论已经揭示这种实践同非共熔小晶粒趋于团聚是相矛盾的，即便表面上是透明的，也没有激光的实用价值。
这种落后在透明激光陶瓷文献中还体现为虽然本质上是已有理论知识的利用，但是却误以为是“创新”而出版并宣扬，比如基于光散射理论，很容易推导出界面也是重要的影响因素，而不是直到面临“寄生振荡”的问题时才意识到这一点，并误以为是“新”的发现。
文献中又一种常见的时髦做法是引用公式就代表自己做了理论探讨，哪怕讨论部分实际上还是实验结果的简单罗列和对比，甚至同一公式在不同文献中可以有不同版本，而正文中遗漏了这些版本的适用条件或所采用的实际单位制; 严重时甚至以讹传讹，缺乏实际的演算和检验。
以前笔者就想过一个有趣的问题，如果牛顿来写一本机械工程学方面的著作，那么其结果会如何？肯定与工程师根据自己的成果和经验撰写的相关著作不一样。反过来，这些工程师如果真正看懂了《自然哲学的数学原理》之后再撰写自己的著作，又会如何呢？金格瑞和他撰写的《陶瓷导论》就是这样的例子。该书以材料学包含的晶体学、物理学和化学理论为“骨”，以陶瓷领域的实践为“肉”，再以笔者自己跨学科的修养为“皮”，成就了自身长盛不衰的经典地位。虽然书中不少理论是大学教材的基本内容，但是当实践只是忽视理论，而不是超越理论的时候，理论就是长青之树。
本书正是笔者进行这种思考的产物，试图从材料学的角度对20世纪60年代以来有关透明激光陶瓷的实验和应用文献进行整理，其间也包含了笔者自己的理论和实验成果，以理论结合实践，搭建一座基础研究与工程应用之间的桥梁，并且尝试回答这一领域的来龙与去脉，尽一点菲薄之力，为当前各种具体材料制备工艺参数优化的探索提供潜在的或基础性的学科研究方向。
本书不属于纯粹的基础研究或者应用研究，而可以归属于“应用基础研究”的范畴。基础研究解决“为什么”或“是什么”的问题，但没有应用背景的基础研究很容易落入闭门造车的困境; 而应用研究解决“如何实现”或“怎么样”的问题，比如如何将陶瓷烧透明就是应用研究，但是如果将基础研究扔在一边，就容易进入金格瑞指责的经验主义，局限于大量的人力、物力和时间的试差探索或虚假的“优化”研究，甚至获得合格的陶瓷要关联到某个具体的工匠和某台特定的烧结炉上。应用基础研究试图解决这些问题——它不但要解决“如何做”的问题，还要解决“为什么要这样做”和“这样做属于哪一发展阶段”这两个基础研究问题。因此本书并没有否认现有陶瓷领域所积累的经验或者技术数据的价值，恰恰相反，这些是利用和验证本书相关理论的基础，是“成炊的米”。当然，作为“巧妇”，无米固然不能成炊，但是如果罔顾“炊”的规律，也同样得不到一锅好饭。
通俗地说，通过本书可以让做材料的人懂得如何围绕激光做材料，让做激光的人懂得如何围绕材料做激光，同时也可以促进双方更好地交流与合作。
虽然目前市面上的相关著作在介绍透明陶瓷的时候也涵盖了透明激光陶瓷，不过相当一部分是实验结果的罗列和诸如气孔率随烧结温度而变化是引起透射率变化的原因等描述性结论(唯象或定性地讨论)。即便是专注于透明激光陶瓷，严格说来也仍然属于物理领域的激光知识与其多年陶瓷制备和表征结果的合编，在理论的统筹上仍有欠缺。
可喜的是近年来不少学者，比如以池末为首的团队也意识到这一点，从其所报道的研究论文可以发现，该团队已经重视基础理论的应用，力图从热力学的角度来获得新技术和新材料，不再如同当年简单报道陶瓷制备条件和陶瓷性能表征了。笔者曾有幸当面做过一个有关ZnS透明陶瓷的报告，当时池末就直接关注格点占据的晶体学问题！有理由相信，今后会日益加大对基础理论的重视，对激光陶瓷发展的推动也会更为迅猛。
为了体现“桥梁”的作用。本书在撰写中保留了当前陶瓷领域的一些常见做法，比如原子百分比和将掺杂元素写在基质化合物名称之前。后者的例子就是在发光材料或发光学领域，Y3Al5O12(简称YAG)掺杂Nd元素通常写作YAG:Nd； 而在透明激光陶瓷领域，相当多的文献，尤其是池末及其支派的文献则记作Nd:YAG。另外，本书所用的名词同样来自多个领域，以激光材料为例，它也可以按照激光工作原理称为激光介质或激光增益介质，本书对这些用法都做了解释，随后不再严格区分使用，其目的仍然是围绕“桥梁”而行，不作为规范或标准化专业名词的依据。
本书适合按顺序逐章阅读，除非读者已有相关的专业知识背景，否则不建议择取章节跳读。因为一门学科的知识自有其先后、承转、含纳和因果关系，所谓融汇贯通离不开对这些关系的掌握，这也是科学研究等具有系统性特征活动的精髓所在，所以建议读者通读所有章节，建立起一个较为完整的透明激光陶瓷的知识框架，随后再深入特定的领域，这样可以更为从容。
最后，本书的立项和出版，离不开鲁永芳编辑的大力支持和帮助，也受惠于丛书编委以及出版基金相关评审专家和人员对所提交书稿拙劣手笔的容忍和勉励。在当前唯职称或唯职位仍较为盛行的状况下，他们的支持和帮助弥为珍贵，乃至笔者几易书稿，吟安推敲后仍惶恐于有所辜负，迟迟难以封笔。笔者也要感谢目前就职的中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷研究中心下属的透明与光功能陶瓷课题组李江研究员、诸位同仁以及研究生的支持，同时也感谢中国科学院福建物质结构研究所和海西研究院洪茂椿先生等惠赐相关资料并准予使用。
本书的出版得到国家出版基金的支持，并列入“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划·重大出版工程规划项目。其中部分工作也得到了国家自然科学基金联合基金(培育项目，项目批准号： U1932160)的支持，在此一并表示感谢。
本书抛砖引玉，希望能推动更多理论结合实践的科研著作的问世。囿于作者见识浅陋，书中谬误在所难免，还请不吝赐教，以便后继再版订正。
是为序。
陈昊鸿雷芳
2022年4月
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