釔鋁石榴石(yag)透明陶瓷的制備

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1、青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文第一章文獻綜述1997年美國首次提出了固體熱容激光器。LD抽運的固體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、高功率、體積小、模式少等優(yōu)點，是一種很有應(yīng)用前景的光源。迄今為止，對于固體激光器來說主要有三種激光介質(zhì)：單晶、玻璃和陶瓷。其中，Nd：YAG單晶因其優(yōu)異的物理化學(xué)性能而成為最重要的固體激光材料。但是，由于單晶的生產(chǎn)成本高、生長周期長、摻雜濃度低且分布不均勻等因素使得它的應(yīng)用受到限制。陶瓷激光介質(zhì)相對晶體工作物質(zhì)有許多優(yōu)點，給激光器的設(shè)計帶來了很大的自由度。陶瓷的高摻雜濃度能克服其光學(xué)吸收

2、截面小的缺點，且多晶陶瓷的物理參數(shù)如熱導(dǎo)率，光學(xué)性質(zhì)如吸收光譜、發(fā)射光譜、熒光壽命等都和單晶相似。正是由于多晶陶瓷能彌補單晶的許多不足，因此其不失為單晶的強有力的替代者。1．1釔鋁石榴石(YAG)簡介1．1．1YAG的晶體結(jié)構(gòu)YAG的分子式為Y3A15012，屬立方晶系，空間群為OhlO-Ia3d，其品格常數(shù)為12．005A。每個晶胞中含8個Y3A15012分子。燦”有兩種占位，占據(jù)四面體或八面體的中心位置，02。處在四面體和八面體的角上。每個四面體的四個項角都和八面體的頂角相連，構(gòu)成一些十二面體的

3、空隙，這些空隙呈畸變立方形，而Y”占據(jù)在十二面體的中心位置。釔鋁石榴石中Y-O鍵的長度為2．45A，Y”與稀土離子的半徑接近，使十二面體格位中有可能摻入一定數(shù)目的三價稀土離子，作為激活離子。A13+離子的半徑小，不易被稀土離子取代。表1．1是YAG的結(jié)晶學(xué)特征參數(shù)【1。31。圖1．1為YAG的晶體結(jié)構(gòu)【11。表1．1YAG的結(jié)晶學(xué)特征參數(shù)Tablel-ICrystallographicCharacteristecsofYAG◆一Al●§一Y—o圖1-1釔鋁石榴石的晶體結(jié)構(gòu)lI】Fig．1—1Crys

4、talStmctu陀ofYAGAbell等人【4】對Y203．Ab03進行了系統(tǒng)的探討，在Y203．砧203的二元體系中除了Y3AlsOl2之外，還存在YAl03和Y4燦209兩種化合物。其中，YAl03簡稱YAP(yttriumaluminumperovskite)，屬斜方晶系；Y4A1209簡稱Y／LM(yttriumaluminummonoclinic)，屬單斜晶系，如圖1．2所示?！鯫n‘圖1-2Y203．舢203的二元系統(tǒng)相圖【．1Fig．1-2PhasediagramofY203-A12

5、03system2青島科技火學(xué)研究生學(xué)位論文1．1．2YAG的性能及用途YAG晶體具有良好的機械強度、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，并能給激活離子提供良好的晶體場環(huán)境，因而是一種可摻雜稀土離子的主要的固體激光基質(zhì)材料。表1．2列出了YAG的一些基本物理性能。表1．2YAG的物理性能Table1-2PhysicalandchemicalpropertiesofYAG半導(dǎo)體泵浦Nd：YAG固體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、高效率、高功率等優(yōu)點，可以應(yīng)用于激光測距、激光制導(dǎo)、空間遙感和激光武器等領(lǐng)域。YAG粉體通過摻

6、雜Cc3+、Eu”、Tb”等離子還可以作為超短余輝熒光粉【孓引，在等離子平板顯示、發(fā)光二極管、陰極射線管等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。由于YAG具有蠕變率低、高溫穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性好，因此常被應(yīng)用于熱輻射轉(zhuǎn)化器、電子元件的耐熱涂層、電子真空儀表部件、耐化學(xué)腐蝕結(jié)構(gòu)材料等。1．2透明陶瓷概述1．2．1透明陶瓷的優(yōu)勢摻釹釔鋁石榴石(Nd：YAG)單晶常采用提拉法穩(wěn)定生長，是目前中小型激光器中最常用的激光工作物質(zhì)。但由于Nd3+的離子半徑為0．104am，Y”的離子半徑為0．092am，因為空間位置效應(yīng)，Y

7、AG晶體中Y”不易被Nd”所取代，使得Nd”在釔鋁石榴石中的分凝系數(shù)比較小，約為0．20-一0．15。Nd”濃度的偏析使該區(qū)域形成化學(xué)應(yīng)力，導(dǎo)致中心區(qū)域的折射率高于周圍區(qū)域的，成分的差異也會引起相應(yīng)熱膨脹系數(shù)的差異。此外，晶體的生長方式限制了晶體的尺寸，從而也限制了其潛在的輸出功率【9】。釔鋁石榴石(YAG)透明陶瓷的制備透明陶瓷激光材料具有許多單晶和玻璃所不具備的優(yōu)點【l們。同單晶相比，透明陶瓷具備以下優(yōu)勢：(1)可實現(xiàn)更大的尺寸，只受熔爐加熱區(qū)域的限制，且形狀易于控制。(2)可將光學(xué)活性離子均勻

8、分布于樣品中，并達到可控分布，以獲得摻雜濃度高、光學(xué)均勻性好的透明陶瓷。(3)陶瓷材料的制備周期短，生產(chǎn)成本低。(4)可以制備出多功能的激光材料，陶瓷技術(shù)能夠在同一塊單板中同時包含多個組件。(5)能滿足低的或無殘余應(yīng)力雙折射，以提高其光學(xué)透明度。(6)具有更高的斷裂韌性及抗破碎的性能。與釹玻璃相比，透明陶瓷激光材料具有如下的優(yōu)點：(a)熱導(dǎo)率高，是釹玻璃的14倍，有利于熱量的散發(fā)；(b)YAG的熔點為1970℃，而釹玻璃的軟化點約為660℃，這樣Nd：YAG透明陶瓷激