双掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及双掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷材料及制备方法，其特征在于：１）对于Ｃｒ↑［４＋］，Ｎｄ↑［３＋］：ＹＡＧ体系，Ｃｒ离子的掺杂量为０．０２～０．５ａｔ％，Ｎｄ离子的掺杂量为０．５～４．０ａｔ％；２）对于Ｃｒ↑［４＋］，Ｙｂ↑［３＋］：ＹＡＧ体系，Ｃｒ离子的掺杂量为０．０１～０．５ａｔ％，Ｙｂ离子的掺杂量为５～３０ａｔ％。制备方法特征在于粉料均匀混合后经干压加冷等静压成型的素坯，在真空烧结炉中直接烧结或分二步烧结，烧结后再退火处理。本发明专利技术提供的双掺杂的透明ＹＡＧ材料透过率＞７０％，可用作自调Ｑ固体激光器的工作物质。

Double doped yttrium aluminum garnet transparent ceramic material and preparation method thereof

Yttrium aluminum garnet transparent ceramic material and preparation method of the invention relates to a double doped, characterized in that: 1) for Cr = 4 +, Nd = 3 +: YAG system, Cr ion doping amount is 0.02 ~ 0.5at%, the doping amount of Nd ions is 0.5 ~ 4.0at%; 2) for Cr = 4 +, Yb = 3 +: YAG system, Cr ion doping amount is 0.01 ~ 0.5at%, the doping amount of Yb ions is 5 ~ 30at%. The preparation method is characterized in that the powder powder is uniformly mixed and then is dried by cold pressing and cold isostatic pressing, and is sintered directly in a vacuum sintering furnace or sintered in two steps, then sintered and then annealed. The double doped transparent YAG material has a transmittance of more than 70% and can be used as a working substance for a self tuning Q solid laser.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及双掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷及制备方法，更确切地说涉及Cr4+，Nd3+:YAG和Cr4+，Yb3+:YAG自调Q激光透明陶瓷及制备方法，属于激光透明陶瓷材料制备

技术介绍
光电子产业是二十一世纪的重要支柱产业，而激光技术是光电子技术的核心组成部分。作为固体激光器的主体，激光材料是固体激光技术的重要支柱。目前，市场上Nd:YAG激光材料均为单晶，由于其生长周期长、价格昂贵、尺寸小、掺杂浓度低，使其性能和应用范围受到限制。多年来科研工作者试图用玻璃、玻璃陶瓷作为激光工作物质来替代单晶。玻璃虽然很容易做到大尺寸，但其热导却比单晶低一个数量级。玻璃陶瓷是异质结构的物质，具有很低(甚至负值)的若膨胀系数，抗热震性好，但是激光效率与单晶材料相比并不令人满意。科学家在20世纪60年代开始就尝试用Dy:CaF2，NDY等多晶陶瓷作为固体激光器的工作物质，但效果均不理想。自从专利JP05-286761，JP05-286762，JP05-294722，JP05-294723，JP05-294722，JP05-235462发表后，Nd:YAG透明多晶陶瓷作为激光工作物质引起了人们的极大兴趣，以Nd:YAG透明陶瓷为工作物质的固体激光器也向大功率、高效率发展，Nd:YAG透明陶瓷很可能成为具有竞争力的用来替代单晶的激光材料。Nd:YAG单晶具有优良的机械、光学和化学热稳定性，因此LD泵浦的被动调Q的增益介质通常为Nd:YAG单晶。Cr4+:YAG晶体是被动调Q开关的理想材料，由于其在1μm处大的吸收截面，是Nd激光重要的可饱和吸收体，双掺Cr4+，Nd3+:YAG晶体是一种性能优良的自调Q开关材料。与掺Nd3+激光透明陶瓷相比，掺Yb3+的YAG透明陶瓷由于其量子缺陷小，而且可实现Yb3+的高浓度掺杂而基本上不降低其荧光寿命，其光谱特性比掺Nd3+的要好，用Cr4+:YAG作为被动调Q开光实现了Yb:YAG晶体的被动调Q输出。同时，已报道中科院上海光机所生长出共掺Cr4+，Yb3+:YAG单晶，并且实现了自调Q激光输出。从Nd:YAG激光透明陶瓷和Cr4+，Nd3+:YAG和Cr4+，Yb3+:YAG单晶的研究现状和进展来看，双掺Cr4+，Nd3+:YAG和Cr4+，Yb3+:YAG透明陶瓷作为自调Q的微片激光器将具有很大的实力和商业潜力。同时Cr4+，Yb3+:YAG透明陶瓷对实现被动调Q激光器的高效、高功率、集成化、小型化、结构紧凑以及使用化将具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供两种双掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷及制备方法，具体地说涉及Cr4+，Nd3+:YAG和Cr4+，Yb3+:YAG透明陶瓷及制备方法，期望实现自调Q激光输出。本专利技术所述的制备方法如图1所示，包括原料和烧结助剂的选择、球磨混合、干燥、成型、真空烧结以及退火处理等工艺过程，各工艺过程的特征在于(1)原料可以是(a)商用的高纯α-Al2O3，Y2O3，Cr2O3，Nd2O3和Yb2O3粉体；(b)商用的高纯γ-Al2O3，Y2O3，Cr2O3，Nd2O3和Yb2O3粉体；(c)商用的高纯α-Al2O3，γ-Al2O3，Y2O3，Cr2O3，Nd2O3和Yb2O3粉体； (d)商用的高纯α-Al2O3，Cr2O3，Nd2O3，Yb2O3和湿化学法(包括沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧合成法等)制备的高纯Y2O3纳米粉体；(e)商用的高纯γ-Al2O3，Cr2O3，Nd2O3，Yb2O3和湿化学法(包括沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧合成法等)制备的高纯Y2O3纳米粉体；(f)商用的高纯Y2O3，Cr2O3，Nd2O3，Yb2O3和湿化学法(包括沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧合成法等)制备的高纯Al2O3纳米粉体；(g)湿化学法(包括沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧合成法等)制备的高纯Al2O3，Y2O3纳米粉体和商用高纯Cr2O3，Nd2O3，Yb2O3粉体；(h)非均相沉淀法制备的Y2O3包裹Al2O3粉体和商用高纯Cr2O3，Nd2O3，Yb2O3粉体；(i)非均相沉淀法制备的Al2O3包裹Y2O3粉体和商用高纯Cr2O3，Nd2O3，Yb2O3粉体；(j)湿化学法(包括沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧合成法等)制备的高纯YAG纳米粉体及商用高纯Cr2O3，Nd2O3，Yb2O3粉体；(k)湿化学法(包括沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧合成法等)制备的高纯Nd:YAG和Yb:YAG纳米粉体及商用高纯Cr2O3粉体。(2)添加的烧结助剂可以是Li2O，Na2O，K2O，CaO，MgO，SiO2和TEOS(正硅酸乙酯)中的一种或两种，烧结助剂的添加量为102～106ppm。以上所述的商用原料纯度为99.95-99.99％，按掺杂的配比进行称量，混匀。(3)球磨混合工艺(a)球磨罐使用聚四氟乙烯或高纯氧化铝陶瓷材料；(b)磨球使用高纯玛瑙球、高纯氧化锆陶瓷球或是高纯氧化铝陶瓷球；(c)球磨介质使用无水乙醇或是去离子水；(d)使用行星式球磨机，转速为100～400rpm，球磨时间为2～20小时。(4)球磨混合的浆料在90-100℃的烘箱中烘干，研磨过100目筛。(5)成型工艺(a)干压成型过程中采用的轴向单向加压方式，压力为50～100MPa，保压时间0.5～3分钟；(b)干压成型后的素坯经真空包装后，在200～400MPa的压力下冷等静压成型，保压时间1～5分钟，使素坯密度为组分理论密度的45～65％。(6)真空烧结工艺中(a)可以对干压加冷等静压成型的素坯直接进行真空烧结，升温速度为1～20℃/mim，烧结温度为1650～1850℃，保温时间为5～40小时，真空度为10-2～10-4Pa；(b)或可以对干压加冷等静压成型的素坯在真空炉分两步烧结。第一步在1000～1500℃预烧2～20小时，升温速度为1～20℃/mim，真空度为10-2～10-4Pa；第二步在1700～1850℃保温5～40小时，升温速度为1～20℃/mim，真空度为10-2～10-4Pa；(c)或可以对干压加冷等静压成型的素坯在氧化性气氛的硅钼棒炉中进行无压预烧结升温速度为1～20℃/mim，烧结温度为800～1200℃，预烧时间为2～20小时；把预烧结后的坯体置于真空烧结炉中进行二次烧结，烧结温度为1650～1850℃，保温时间为5～40小时，真空度为10-2～10-4Pa。烧结的关键是排除气孔，发育晶粒，防止气孔被晶粒包裹。(7)将真空烧结的Cr，Nd:YAG和Cr，Yb:YAG陶瓷在氧化性气氛的硅钼棒炉中进行退火处理退火温度为800～1600℃，退火时间为2～40小时，主要消除碳杂质和氧缺陷。最后对真空烧结的Cr，Nd:YAG和Cr，Yb:YAG陶瓷进行平面磨制和抛光处理。所得到的真空烧结的Cr，Nd:YAG和Cr，Yb:YAG陶瓷体相对密度大于99.9％，平均晶粒尺寸为1～100μm。本专利技术所提供的双掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的具体组分为 (1)对于Cr4+，Nd3+:YAG体系，Cr离子的掺杂量为0.02～0.5at％，Nd离子的掺杂量为0.5～4.0at％；优先推荐的Cr离子和Nd离子的掺杂量分别为0.05-0.1at％和0.5-1.5at％；(2)对于Cr4+，Yb3本文档来自技高网...

【技术保护点】
双掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷材料，其特征在于：（１）对于Ｃｒ↑［４＋］，Ｎｄ↑［３＋］：ＹＡＧ体系，Ｃｒ离子的掺杂量为０．０２～０．５ａｔ％，Ｎｄ离子的掺杂量为０．５～４．０ａｔ％；（２）对于Ｃｒ↑［４＋］，Ｙｂ↑［３＋］：Ｙ ＡＧ体系，Ｃｒ离子的掺杂量为０．０１～０．５ａｔ％，Ｙｂ离子的掺杂量为５～３０ａｔ％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李江，吴玉松，邱发贵，潘裕柏，郭景坤，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]