[发明专利]一种掺有Nd和Er的氧化镧钇透明陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺有Nd和Er的氧化镧钇透明陶瓷的制备方法，属于特种陶瓷制造 工艺技术领域。

背景技术

众所周知，Er³⁺在1.5μm波段的激光输出有众多优良的性能,包括人眼安全，是一个 良好的大气传输窗口等。然而，近年来发现，Er³⁺的3μm中红外激光也具有优良的性能，它在 激光手术、有毒气体监测、红外对抗和自由空间通讯等诸多方面都有应用潜力。然而，由于 Er³⁺3μm激光上能级的寿命小于下能级的寿命，难以形成激光运转所需的必要条件——粒子 数反转——而产生所谓的“自终止效应”，而要形成Er³⁺3μm激光的粒子数反转，必须抑制其 1.5μm的发光或增强其3μm的发光。近20年来，对改善Er³⁺3μm激光性能的研究从未间断过： 1992年，Stoneman,R.C.等人在GSGG中实现了斜效率为36%的Er³⁺2.8μm的激光输出，证实 Er³⁺3μm高效率激光运转的可行性；1997年，WyssC等人在LiYF₄中实现了50%斜效率的Er³⁺3μ m激光输出；1999年ChenD-W等人在YAG中实现了Er³⁺的3μm的瓦级激光输出。然而，以上实现 Er³⁺的3μm激光输出的样品都要求Er³⁺的高掺杂以消除Er³⁺3μm激光的自终止效应，而高掺杂 会显著降低激光介质的热学性能。因此，一种新的途径，即共掺敏化离子（Pr³⁺、Tm³⁺）以提高 Er³⁺的中红外光谱性能，被广泛采用和研究了。诸多此类报道指出，通过共掺Pr³⁺，Tm³⁺确实 能有效抑制Er³⁺1.5μm的发光，但同时也抑制了其3μm的发光，最后即使形成了粒子数反转， 其激光斜效率也非常之低，所以把Pr³⁺，Tm³⁺作为Er³⁺3μm的敏化离子只是一种折衷的做法， 难以形成高效激光运转。近年来，把Nd³⁺作为增强Er³⁺3μm发光的敏化离子，被诸多报道了。 在这些报道中，因Nd³⁺与Er³⁺存在有效的能量传递，能在抑制Er³⁺1.5μm的发光的同时增加 Er³⁺3μm的发光强度，这意味着Nd³⁺是能实现Er³⁺3μm高效激光运转的一种理想的敏化离子。

此外，Y₂O₃属于立方晶系，无本征双折射现象；热导率高（13.6W/m·K）；声子能量 低（591cm-1）。所以，Y₂O₃是Er³⁺的3μm激光运转的理想基质。但是由于Y₂O₃的熔点高达2430 ℃，且在2280℃附近会发生立方相向六方相的多晶转变，因而难以生长出大尺寸和高光学 质量的Y₂O₃单晶。随着陶瓷制备技术及纳米制粉技术的发展，Y₂O₃透明陶瓷的烧结温度可降 低为1700℃左右。此外，由于La₂O₃的加入，可以加速气孔的排除，降低透明陶瓷烧结温度并 且有效抑制陶瓷晶粒过分长大，因此氧化镧钇透明陶瓷是一种性能优良的激光介质材料。

此前，Er/Nd共掺的氧化镧钇透明陶瓷的中红外激光性能已被研究过，结果指出， Nd³⁺在抑制了1.5μm发光的同时，也抑制了3μm波段的发光。然而，以上研究并未考虑Nd³⁺浓 度对敏化作用的重要影响。本发明首次通过共掺不同浓度的敏化离子Nd³⁺调控了Er³⁺在氧 化镧钇透明陶瓷中1.5μm和3μm波段的发光强度。

发明内容