纳米粉制备掺Nd3氧化镧钇透明陶瓷工艺及其性能表征.pdf

上海大学
硕士学位论文
納米粉制备掺Ndく23+>氧化镧钇透明陶瓷工艺及其性能表征
姓名:胡小曼
申请学位级别:硕士
专业:材料学
指导教师:杨秋红
20080301
上海大学硕土学位论文
摘要
立方相的Y2O3晶体具有稳定性好、光学透明区域宽、热导率高等优点,是
种非常有前景的固体激光材料。但由于其熔点高达2430℃+30℃,且在2280℃附
近存在相变,因此用常规的方法很难生长出大尺寸、高光学质量的单晶,从而限
制了它的应用。最近随着透明陶瓷制备技术的发展,稀土离子掺杂的Y2O2透明激
光陶瓷引起了人们的广泛注意。采用纳米粉体技术和真空烧结工艺使Y2O3基透明
陶瓷的烧结温度比其熔点降低了约700℃,并使其光学质量得到了很大的提高。
目前多种稀土离子掺杂的Y20の透明陶瓷都已经成功实现了激光输出,研究证明
Y2O3透明陶瓷是髙功率、高效率激光介质的优良基质材料。
本文以Nd+:Y1LaO2透明陶瓷为研究对象。添加La2O3以后,氧化锎钇透
明陶瓷的烧结温度可降至1400℃~1700℃。和NdY2O2透明陶瓷相比,掺Nd的氧
化镧钇透明陶瓷具有更好的烧结性能和光谱性能,因此进一步研究其光谱性能以
尽快实现LD泵浦条件下激光输出具有重要的意义。
本文首次采用商业纳米粉制备了透明性良好的Nd+:Y19LaO3透明陶瓷,
研究了烧结温度、保温时间对Na+:Y1sLa1O透明陶瓷的显微结构和光学性能
的影响;同时采用Jud-oelt理论计算了Nd+:Y1JLa3透明陶瓷的J-O参数
并研究了La2O3的掺杂对其光谱性能的影响:;最后初步探讨了体视学方法在
Nd+:Y1 Lao. 1O3透明陶瓷性能表征中的应用。实验结果表明:
提高烧结温度和延长保温时间均能有效改善Nd:Y1业La。1O3透明陶瓷的显
微结构和光学性能。但烧结温度过高或保温时间过长都会使少量晶粒过分长大,
不利于气孔的排除,从而导致样品的透过率下降。当烧结温度为1650℃,保温
时间为50h时,样品中几乎不存在气孔,且晶粒尺寸均匀,透过率最高,接近
80%。
La2O3的添加使Y1.LaO3结构中出现多组不同的发光中心,多发光中心既
能使Nd:Y1.9LaoO3透明陶瓷的吸收和发射带展宽,又不会降低其吸收和发射截
面。宽的吸收带可以大大降低对泵浦带宽的要求,并有利于陶瓷对泵浦光的吸
收和实现激光器件的小型化宽的发射带则有利于实现可调谐激光输出。
La2O3的添加改变了基质中Nd+周围格位环境的对称性和极化程度,导致
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了基质参数2增大和光谱品质因子Mwa减小。小的光谱品质因子有利于高效率
激光输出的实现。此外,Nd:Y1 lao. 1 O3透明陶瓷的量子效率和荧光寿命与
Nd:Y2O3透明陶瓷相当。因此Nd: Ylolag 1o3透明陶瓷是一种很有前景的高效率、
高功率的激光增益介质。
最后本文还把体视学方法运用于Nd:Y1 elano3透明陶瓷的性能表征,运用
体视学方法可以由组织截面二维的测量值来构筑陶瓷三维结构信息。通过实际
的体视学主要参数的计算,成功预测了NdY1L-aoO3透明陶瓷的透过率的相对
高低。
关键词:Nd时:Y1La1O2,纳米粉,透明激光陶瓷,显微结构,光谱性能,
Jud- Ofelt理论,体视学
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ABSTRACT
Cubic Y O3 single crystal is a promising solid-state laser material due to its
several favorable properties, such as stability, optical clarity over a broad spectral
region and high thermal conductivity. But it is extremely difficult to grow large-size
high-quality Y203 single crystal because of its very high melting temperature
(-2430c)and structural phase transition at about 220C. Recently with the
development of fabrication technology of transparent ceramics, Y203 transparent
ceramics doped with rare-earth ions has attracted considerable attentions. The
transparent Y20; ceramics has been fabricated with the nanocrystalline technolog
and vacuum sintering method, and the sintering temperature is about 700C lower
than its melting temperature. And its optical quality has been improved greatly. Up to
now, laser output has been reported in various rare-earth ions doped Y203
transparent ceramics. It has been proved that Y203 transparent ceramics is a potential
host of high power and efficiency laser.
The sintering temperature of Nd: Y2] transparent ceramics can be decreased to
400C-1700C with La2o3 as a sinterin additive. Compared with Nd: Y2 , Nd
doped yttrium lanthanum oxide transparent ceramics has better sintering properties
and spectral characterization. So it is essential to investigate its spectroscopic
properties so as to realize laser output using LD pump
It is the first time to fabricate Nd": Y1 La01o3 transparent ceramics by
commercial nanopowders. The effect of sintering temperature and holding time on
microstructure and optical properties of transparent ceramics was discussed
Furthermore, Judd-ofelt theory was adopted to calculate J-O parameters of the
samples and the effect of La203 on spectroscopic prop