摘要: 钇铝石榴石(YAG)材料具有优异的物理化学性质和稳定的立方晶系对称结构等优点，这使得其无论在结构材料还是功能材料领域都具有广阔的应用前景。近年来YAG透明陶瓷引起了人们的广泛关注，高质量的YAG透明陶瓷在光学质量上已经可以和YAG单晶材料相媲美... 展开 钇铝石榴石(YAG)材料具有优异的物理化学性质和稳定的立方晶系对称结构等优点，这使得其无论在结构材料还是功能材料领域都具有广阔的应用前景。近年来YAG透明陶瓷引起了人们的广泛关注，高质量的YAG透明陶瓷在光学质量上已经可以和YAG单晶材料相媲美，而且由于陶瓷制备工艺的特点，YAG透明陶瓷还具有很多单晶材料不具备的优势，如制备工艺简单，可批量生产、制备成本低、可实现稀土离子高浓度掺杂、可制备具有复合结构的多功能材料等。未来，YAG透明陶瓷有望在固体激光材料、高温窗口、光学镜头、医疗器械、照明技术等方面得到广泛应用。国外在高质量YAG透明陶瓷制备领域一直处于领先地位，我国在该领域的研究和投入与国际水平有着不小差距。因此，开展对高质量YAG透明陶瓷的制备及性能的研究具有重要的学术意义及应用价值。 本论文以YAG基透明陶瓷作为研究对象，以商业化的Y2O3和Al2O3粉体为原料，采用真空烧结技术和传统的固相反应烧结工艺制备的Nd∶YAG透明陶瓷在1064nm波长处的透过率达到80％左右，但是随着波长降低透过率下降迅速，根据显微结构的分析表明透明陶瓷中发生晶粒异常生长现象，少量气孔还残存在陶瓷晶界处和晶粒内部。本实验提出采用复合烧结助剂的方法来制备高光学质量的YAG透明陶瓷，对SiO2和MgO烧结助剂、烧结温度等进行了系统地研究，通过采用自制的纳米Y2O3粉体代替商业Y2O3粉体，并利用正交试验设计方法对固相反应烧结法的工艺条件进行优化，从而找到一种工艺稳定、成本低、重复性好的制备高质量YAG基透明陶瓷的方法。以自制的Y2O3和商业Al2O3粉体为原料，添加0.5wt.％TEOS和0.1叭.％MgO作为复合添加剂，在1780℃烧结温度下真空烧结8小时制备的YAG基透明陶瓷透过率在红外波段3000nm处高于85％，在1064nm处有84.6％，即使在400nm处陶瓷的透过率依然在82％以上，达到了陶瓷的理论透过率。利用XRD、SEM、TEM等进行了测试分析，结果表明真空烧结的YAG基透明陶瓷为纯YAG相，没有其它杂相存在;陶瓷的晶粒尺寸分布均匀，平均晶粒尺寸约为10μm;晶界宽度小于0.3nm，晶界薄且干净，在陶瓷的显微结构中无残余气孔或第二相存在。 通过测试不同烧结温度、烧结时间下Nd∶YAG透明陶瓷的坯体密度、收缩速率、晶粒尺寸等数值，研究了Nd∶YAG陶瓷的真空烧结致密化机制和陶瓷晶粒生长机制。根据粉末烧结理论的计算提出YAG陶瓷的烧结过程是扩散、流动和物理化学反应综合作用的过程。通过烧结动力学方程计算拟合的结果表明，在1780℃下Nd∶YAG透明陶瓷的烧结致密化速率是由晶界扩散速率控制。在高温烧结阶段，陶瓷晶粒长大完全满足经典晶粒生长模型G3-G03=kt，表明复合添加烧结助剂的陶瓷样品可能在烧结后期以液相传质过程和溶质“钉扎效应”的综合作用促进陶瓷的致密化和控制晶粒生长。 利用真空烧结技术和优化的固相反应烧结法制备了不同掺杂浓度的高质量Nd∶YAG透明陶瓷，根据XRD、SEM等测试分析表明，晶粒尺寸分布均匀，平均大小约为10μm，且随着掺杂浓度的增加陶瓷晶粒尺寸略有减小。利用分光光度计、荧光光谱仪等测试分析手段系统地研究了Nd∶YAG透明陶瓷的光谱性能，Nd∶YAG透明陶瓷在1064nm处的透过率为84.6％，和计算的Nd∶YAG理论透过率相同，在400nm处的透过率为83.1％，非常接近此处的理论透过率83.9％。Nd3+掺杂浓度的增加可以显著提高Nd∶YAG透明陶瓷的吸收强度，同时不会影响透明陶瓷的光学质量。在最强吸收808nm泵浦波长处，1.0mol％Nd∶YAG透明陶瓷的吸收系数为9.1×1020cm-1，吸收截面值为6.2×10-20cm-2。Nd∶YAG透明陶瓷在测试波长范围内主要有两个发射带，930～960nm范围内的发射带主峰位于946nm，发射带对应着Nd3+的4F3/2→4I9/2能级跃迁。1130～1300nm怎么是倒着的？范围内的发射带最强峰位于1064nm处，发射带对应着Nd3+的4F3/2→4I11/2的能级跃迁。当掺杂浓度大于1.0mol％时Nd∶YAG陶瓷样品会发生浓度猝灭现象，发射峰强度迅速降低，并且会随着掺杂浓度的提高变得更加明显。通过分析掺杂浓度与荧光强度、荧光寿命的关系，探讨了Nd∶YAG透明陶瓷浓度猝灭的机理为电四极-电四极相互作用引起的4F3/2→4I15/2和4I9/2→4I15/2之间交叉弛豫造成的。采用Judd-Ofelt理论对1.0ml％Nd∶YAG透明陶瓷的光谱进行了理论计算，对应1064nm发射波长的4F3/2到4I11/2能级跃迁具有最大的自发射辐射几率和发射截面值，表明在激光实验中1064nm波长最容易实现激光输出。然后进行了1.0ml％Nd∶YAG透明陶瓷的激光输出实验，激发波长为808nm，在泵浦功率为26.11W时，Nd∶YAG透明陶瓷在1064nm处的最大激光输出功率为8.82W，激光的光-光效率为35.63％，激光的斜率效率为54.34％。其性能与目前报道的国际先进水平相当。 Ho∶YAG的激光输出波长在2.09μm，该波段激光属于对人眼安全的波长范围，因此在医疗上具有广泛应用。同时由于2.09μm激光具有良好的大气穿透能力，Ho∶YAG激光在雷达、测距、传感等领域同样具有很好的应用前景。以自制的Y2O3和商业Al2O3粉体为原料，添加0.5wt.％TEOS和0.lwt.％MgO作为复合烧结添加剂，采用优化的固相反应烧结法和真空烧结技术制备了不同掺杂浓度的高质量Ho∶YAG透明陶瓷。根据XRD、SEM等测试分析结果表明，不同掺杂浓度Ho∶YAG透明陶瓷仍是纯的YAG相，说明Ho3+完全固溶到YAG中。随着掺杂浓度的变化，陶瓷晶粒尺寸变化很小，平均晶粒尺寸约为10μm。利用荧光光谱仪、紫外-可见-红外分光光度计系统地研究了Ho∶YAG透明陶瓷的光谱性能，不同掺杂浓度的Ho∶YAG透明陶瓷最强吸收峰的位置均在1907nm处，对应着Ho3+离子的5I8到5I7的能级跃迁。在1907nm处的吸收系数分别是0.8mol％Ho∶YAG透明陶瓷为0.72cm-1，1.0mol％Ho∶YAG透明陶瓷为0.89cm-1，1.5mol％Ho∶YAG透明陶瓷为1.32cm-1，2.0mol％Ho∶YAG透明陶瓷为1.78cm-1。其1907nm处的吸收截面值为0.645×10-20cm2。不同掺杂浓度的Ho∶YAG透明陶瓷的主发射峰位置均在2093nm处，对应着Ho3+离子的5I7到5I8的能级跃迁。采用J-O理论对1.0mol％Ho∶YAG透明陶瓷的光谱进行理论计算分析，结果表明，1.0mol％Ho∶YAG透明陶瓷的荧光寿命为7.63ms，在2093nm处的发射截面为0.97×10-20cm2，与单晶性能相当。通过优化激光实验，以1.5mol％Ho∶YAG透明陶瓷为激光介质，激发波长为1907nm，在35W泵浦功率下2097nm处的激光最大输出功率为20.6W，斜率效率和光-光转化效率分别达到60.9％和58.8％。这是目前国际上报道的Ho∶YAG透明陶瓷连续激光的最大输出功率和最高效率。 收起