Yb：YAG及Yb：YAG/YAG多晶透明陶瓷的制备及性能研究

论文摘要

Yb:YAG （Yb:Y3Al5O12）晶体由于具有宽的吸收带和发射带,长的荧光寿命,优良的热力学和机械性能等特点而成为最具应用潜力的固体激光介质之一,尤为重要的是Yb:YAG晶体可实现较高浓度掺杂。因而可加工成薄片作为增益介质,制成薄片激光器。然而当工作物质为片状晶体时,固体激光器运转时,激光入射到晶片上,只有一部分抽运能量转化为激光辐射,剩余的能量转化为基质的无辐射跃迁或晶格的能量吸收,这样就导致激光介质受热的不均匀性,引起晶片的热变形,从而产生热透镜效应,影响输出激光的光束质量和激光效率。经过大量的研究,人们提出了将激光工作物质制成复合结构的想法并将其成功地运用到固体激光器中。本文采用市售纳米y-Al2O3、Y2O3及Yb203为原料,通过固相反应法合成Yb含量不同的Yb:YAG及Yb:YAG/YAG复合结构透明陶瓷。采用固相反应及干压成型法制备Yb:YAG透明陶瓷。利用质量分数95%乙醇为球磨介质,TEOS为烧结助剂,聚羧酸铵为分散剂,将低温煅烧过的纳米Y-Al2O3、Y2O3及Yb2O3原料粉体球磨达到充分混合的目的（Yb2O3加入量按Yb的原子分数分别为1%,2%,5%,10%,20%,30%计算）。得到的混合粉在1200℃煅烧4小时得到YAG和YAP（YAlO3）两相共存混合物。粉体经双向干压成型,坯体在1300℃预烧4小时,经1700℃真空烧结5小时后的Yb:YAG透明陶瓷晶粒大小随着Yb含量的增加有长大趋势,且分布均匀。不同的晶粒间、晶粒和晶界间不存在成分的差异。1mm厚的样品的透过率最高达75.6%（700nm处）。在相同的工艺下制备出YAG及Yb:YAG粉（Yb原子分数1%,2%,5%,10%,20%,30%）,利用干压成型法压制出Yb:YAG/YAG坯体经1300℃预烧4小时1700℃真空烧结5小时获得Yb:YAG/YAG复合结构激光陶瓷；陶瓷的透光性差,主要是因为Yb:YAG层出现了Al2O3析出相。1200℃煅烧4小时后的Yb:YAG （Yb原子分数10%）粉体,用去离子水配制成固含量16.7%质量分数的浆料,分别加入0.1%,0.5%,1%,2%,5%质量分数的聚羧酸铵,球磨6小时后超声5分钟测粘度；同时取少部分五组超声后浆料进行沉降实验,另一部分浆料进行离心成型,最后将干燥后的坯体经预烧和真空烧结。确定了分散剂最佳加入量为1%后,以相同的步骤离心高固相含量的Yb:YAG浆料,并尝试以相同工艺离心出YAG/Yb:YAG/YAG复合结构坯体。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 固体激光材料
• 1.2 钇铝石榴石（YAG）激光晶体
• 1.3 透明激光陶瓷的制备技术优势
• 1.4 固体激光器中存在的问题
• 1.5 复合结构在激光器中的应用
• 1.6 镱激光材料
• 1.6.1 Yb激光材料光谱性能
• 1.6.2 Yb激光材料应用
• 1.7 本论文研究目的、意义及内容
• 第2章 Yb:YAG透明陶瓷的制备
• 2.1 实验背景
• 2.2 实验原料与器材
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验器材
• 2.3 固相反应法的制备工艺
• 2.3.1 球磨参数的设计
• 2.3.2 煅烧参数的设计
• 2.3.3 成型和烧结方式的选取
• 2.3.4 后期的处理
• 2.4 测试方法
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 原料粉体的特征
• 2.5.2 不同球磨介质的影响
• 2.5.3 Yb含量变化对Yb:YAG透明陶瓷的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 Yb:YAG/YAG透明陶瓷的制备研究
• 3.1 实验背景
• 3.2 实验原料与器材
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验器材
• 3.3 制备工艺
• 3.4 测试方法
• 3.5 结果与讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 离心成型制备YAG/Yb:YAG/YAG透明陶瓷的初步研究
• 4.1 实验背景
• 4.2 实验原料与器材
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验器材
• 4.3 制备工艺
• 4.4 测试方法
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 分散剂加入量的确定
• 4.5.2 离心成型Yb:YAG及复合结构的烧结
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢