掺钕钇铝石榴石激光透明陶瓷的研究进展

本文综述了掺钕钇铝石榴石(Nd∶Y3Al5O12,简称Nd∶YAG)激光透明陶瓷粉料以及陶瓷的制备方法,对影响Nd∶YAG透明陶瓷激光性能的主要因素进行了分析,并对Nd∶YAG激光透明陶瓷的未来发展趋势进行了展望。     

氨水反滴共沉淀法制备Nd:YAG透明陶瓷粉体

以氨水为沉淀剂,硝酸盐为初始原料,采用反向滴定共沉淀法制备Nd∶YAG前驱体,将前驱体在不同温度下进行煅烧。采用XRD、IR、TG/DS等测试手段对样品进行表征,结果表明:前驱体在900℃下煅烧2 h就完全生成纯YAG相,没有中间相出现。最终得到分散性较好,平均尺寸在60 nm左右的粉体。     

微波均相沉淀法制备YAG透明陶瓷

以Al(NO3)3和Y(NO3)3为母盐,尿素为沉淀剂,添加适量(NH4)2SO4,采用微波均相沉淀法合成YAG前驱体,经1100℃煅烧得到活性高、分散性好的YAG纳米粉体,添加适量TEOS作烧结助剂,经干压成型,1700℃真空烧结,保温10min得到透明YAG陶瓷.显微观测表明,烧结体气孔含量极低,结构致密,其晶粒形状为规则的多边形,平均尺寸为2.5μm左右.该透明陶瓷在可见光区的最大透光率达到42;,在近红外光区的最大透光率达到74;.     

掺钕钇铝石榴石陶瓷的制备与性能

以Al2O3、Y2O3、Nd2P3为起始原料,用固相合成方法在1500℃、2h条件下合成了掺钕钇铝石榴石(1.1at.;Nd:YAG)粉料.研究表明,在固相反应过程中,首先形成中间相Y4Al2O9(YAM)、YAlO3(YAP)而最终形成单相Y3Al5O12(YAG).将上述粉料经等静压成型并在低真空状态下于1750℃烧结3h,获得呈半透明状态的Nd:YAG陶瓷,其相对密度达到98.68;,显微结构均匀,荧光性能与0.9at; Nd:YAG单晶材料相近.     

Ce∶YAG透明陶瓷的制备和光学性能

采用固相反应法结合真空烧结技术制备了不同Ce3掺杂浓度的Ce∶YAG透明陶瓷,通过扫描电子显微镜(带能谱仪)、分光光度计和荧光光谱等系统研究了陶瓷的显微结构和光学性能.结果表明,所制得的透明陶瓷样品离子掺杂均匀、致密度高,透光性较好,可见光范围直线透过率高达80.0;,样品在460 nm蓝光激发下可以发射中心波长为530 nm的宽带黄绿光,随着掺杂浓度的增加,发射峰发生红移,并出现了明显的浓度猝灭现象.所制备的透明陶瓷样品光学质量优异,是一种能够替代Ce∶YAG荧光粉体的新型荧光材料.     

Yb∶YAG透明陶瓷的制备

采用溶胶-凝胶法制备了Yb3+掺杂浓度为5.0at;的Yb∶YAG超细粉体.利用真空热压和热等静压相结合工艺制备了尺寸为φ10 mm×2 mm的Yb∶YAG透明陶瓷.采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)仪、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和紫外/可见/近红外分光光度计对粉料的物相、透明陶瓷的显微结构和透过率进行了表征.XRD结果表明,前驱体经1000℃锻烧2 h后转变为纯YAG相,根据Scherrer公式计算出晶粒尺寸为38nm.断口SEM结果表明,陶瓷的平均晶粒尺寸为10 μM.样品1100 nm的透过率为81;,主吸收峰位于938 nm.     

提拉法生长直径10英寸优质Yb∶YAG激光晶体

设计制作了直径10英寸Yb∶YAG激光晶体生长热场,改进了单晶炉称重与旋转系统结构,采用感应加热熔体提拉法结合上称重自动控径技术,成功生长出了直径252 mm、等径长近260 mm的完整Yb∶YAG晶体,晶坯外观完整,无开裂。在5 mW绿光激光和20 mW He-Ne激光照射下检测,晶坯整体无散射。经检测性抛光后,晶坯选材扇区内光学均匀性较好,应力分布均匀。选择口径为152 mm×11.5 mm、长为260 mm的板条区域进行测试,透过波前畸变为0.29λ/inch@633 nm,表明晶坯具有良好的光学质量,可以选切加工宽度达到150 mm的大尺寸晶体板条元件。     

Nd∶Y_3Al_5O_(12)透明激光陶瓷的光学性能

采用固相合成法制备了Nd:Y3Al5O12(Nd:YAG)透明激光陶瓷.用V型棱镜法测量了Nd:YAG陶瓷的折射率.用干涉仪测量了陶瓷的光学均匀性.测试了Nd:YAG透明陶瓷的透过光谱、吸收光谱和荧光光谱,在1064 nm的直线透过率达到80%以上,并计算其吸收系数、吸收截面和发射截面.根据Judd-Ofelt理论,拟合出晶体场强度参数Ωt(t=2, 4, 6)为:Ω2=0.32×10-20 cm2, Ω4=2.72×10-20 cm2, Ω6=5.39×10-20 cm2.荧光辐射寿命τrad为248.61 μs,计算的荧光分支比β为:β1=34.613%, β2=52.814%, β3=10.697%, β4=0.621%.并将Nd:YAG陶瓷的吸收光谱、荧光光谱与Nd:YAG单晶进行了对比.     

中材人工晶体研究院Nd:YAG透明陶瓷获得激光输出

最近,中材人工晶体研究院沈德忠院士实验室Nd:YAG透明陶瓷获得重大突破,于2008年12月在中国科学院理化技术研究所许祖彦院士实验室成功获得1064nm的激光输出。实验所用Nd:YAG透明陶瓷的尺寸为3×3×1.5mm3,掺杂浓度为2.7at%,端面镀808 nm和1064 nm增透膜。实验采用端面泵浦,陶瓷块通过铟箔固定在铜质的水冷热沉上,冷却水的温度控制在20℃,抽运源采用LIMO公司的808 nm光纤耦合半导体激光器,光纤芯径200μm。采用对称平-凹腔结构,腔长23 mm,输出镜R=50 mm,T=9%。当吸收功率2.1 W时获得最大输出功率约170mW,光-光转换效率8%,斜效率13.8%。中材人工晶体研究院Nd:YAG透明陶瓷获得激光输出     

Nd,Ce共掺YAG透明陶瓷的制备及其光谱性能研究

采用固相反应真空烧结法首次制备出Nd3+和Ce3+的掺杂浓度分别为1.0 at;和0.3 at;,Nd、Ce共掺YAG透明陶瓷,并对样品的相结构、显微结构、光学透过率和光谱性能进行了表征.结果表明,Nd3+和Ce3+都进入了YAG 晶格,样品的平均晶粒尺寸约为5 μm,1.5 mm样品的光学透过率除吸收带外基本都在75 at;以上.采用 467 nm 的激发源对样品Ce3+的5d能级进行激发,Ce3+通过对Nd3+的能量转移,实现了Nd3+的近红外发射,主荧光发射峰位于在1064 nm处,荧光寿命为256 μs.     

化学共沉淀法制备纯相YAG纳米粉体的研究

通过调整反应溶液中铝离子的浓度,以硝酸铝和硝酸钇为原料,碳酸氢铵为沉淀剂,采用化学共沉淀法制备了纯YAG相纳米粉体.使用X射线衍射仪,扫描电镜,红外光谱仪,热分析仪等测试手段对YAG前驱体及煅烧后的粉体进行表征.结果表明:略微增加反应溶液中铝离子的浓度,即当y3+∶Al3+浓度为9∶16时,沉淀反应形成的前驱体经过1200℃煅烧3h后可形成不含杂相的纯立方相YAG纳米粉体,所得粉体分散性较好,形状为棒状,平均颗粒尺寸约为150 nm.     

Nd3+∶ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2系透明玻璃陶瓷的制备及表征

制备了Nd3+∶ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2系透明玻璃陶瓷.运用差热分析(DTA)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、NV-Vis-Nir(紫外可见近红外分光光度计)、傅里叶变换荧光光谱等测试方法,研究了晶核剂的含量对Nd3∶ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2系透明玻璃陶瓷的核化和晶化性能的影响.利用修正的Kissinger方程研究了晶核剂对玻璃析晶动力学参数,析晶活化能E和析晶动力学判据k(Tp),利用Augis-Bennett方程计算出Avrami参数n.并分析其显微形貌同光透过率的关系,对光学性能进行了研究.     

Nd∶GdVO4热常数的测量和激光性能研究

中频感应加热提拉法生长了低钕掺杂的GdVO4晶体,用机械分析仪来测量Nd∶GdVO4晶体的热膨胀系数, 沿c方向的热膨胀系数为7.42×10-6/K,而沿a方向的热膨胀系数只有1.05×10-6/K,比同比Nd0.0054Y0.9946VO4晶体样品测量结果小.差示扫描热计法测量了Nd∶GdVO4晶体的比热, 298K时为0.52J/g*K.首次用激光脉冲法测量了Nd∶GdVO4晶体的室温热导率.实验表明,Nd∶GdVO4晶体沿<001>方向的热导率数值达11.4W/m*K, 比Nd∶YAG晶体高(测得10.7W/m*K),其<100>方向的热导率为10.1W/m*K.激光实验显示在较高功率泵浦激光输出上Nd∶GdVO4晶体具有比Nd∶YVO4晶体更加优良的性能.