[发明专利]一种Yb敏化的氧化钇基激光陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开的Yb敏化的氧化钇基激光陶瓷，其晶粒具有核壳结构，核层为(Y,Yb,M)₂O₃相、壳层为(Y,N)₂O₃相，其中M为稀土发光离子、N为烧结助剂。制备过程如下：首先将钇的化合物、镱的化合物和M的化合物混合，煅烧得(Y,Yb,M)₂O₃粉体，再将钇的化合物与N的化合物混合，煅烧得(Y,N)₂O₃粉体，然后将上述两种粉体混合；或者将钇的化合物与N的化合物混合后直接加入(Y,Yb,M)₂O₃粉体混合、煅烧；将得到的混合粉体等静压成型、真空烧结，冷却后退火。本发明利用烧结性能优异的(Y,N)₂O₃薄层对(Y,Yb,M)₂O₃相进行包覆，可以在提高陶瓷烧结性能的基础上减少晶格畸变，从而获得优良的激光性能。

技术领域

本发明涉及一种氧化钇基激光陶瓷及其制备方法，尤其是Yb敏化的氧化钇基激光陶瓷及其制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

氧化钇是立方晶系晶体，具有优良的透光性能，并且具有熔点高、化学和光化学稳定性好、热导率高、光学透明性范围宽(0.23～8.0 μm)等优点，特别是在红外区域，具有80%以上的理论透过率；其声子能量低，易实现稀土离子的掺杂改性，一定程度上可以抑制无辐射跃迁，提高辐射跃迁的几率，从而提高发光量子效率，是作为固体激光介质材料的重要基质材料。

Y₂O₃的熔融温度高达2430℃，在2280℃时还会发生立方相向六方相的多晶相变，因此采用传统提拉法很难生长Y₂O₃单晶。采用传统陶瓷工艺，可以在远低于Y₂O₃熔点的温度下制备透明陶瓷，节省生产成本、提高生产效率，更重要的是陶瓷制备工艺容易实现激活离子的高掺杂，可以极大的提高激光输出功率，从而使高熔点氧化物用作光学介质和激光介质成为可能。氧化钇透明陶瓷的烧结温度一般在2000℃以上，采用真空烧结和纳米粉体制备技术后，烧结温度降到1700℃，比它的熔融温度低700℃。陶瓷材料是多晶体，其晶界、气孔和晶格的不完整性等都会增加光的散射损失造成材料的不透明性，对于Y₂O₃基透明陶瓷的研究发现，La³⁺和Zr⁴⁺的掺杂能有效改善Y₂O₃基透明陶瓷的烧结性能，提高Y₂O₃基陶瓷的致密度，从而提高其透过率。

稀土掺杂的Y₂O₃基透明陶瓷的激光性能已经得到广泛研究，如Lu等制备出掺杂浓度为1.5 at%的Nd:Y₂O₃透明陶瓷，以807 nm的LD为泵浦源，在742 mW的泵浦功率下，获得了160 mW的激光输出。Akira首先报道了二极管抽运的Yb:Y₂O₃飞秒陶瓷激光器，在吸收2.6 W的抽运功率时，获得中心波长1076.5 nm、平均功率420 mW的激光输出。Kong利用Yb:Y₂O₃陶瓷激光器，实现波长1078 nm、最高功率4.2 W的激光输出。为进一步提高Y₂O₃透明陶瓷的烧结性能以及发光性能，上海大学杨秋红课题组以La₂O₃为烧结助剂，采用低温烧结方法在无压还原气氛下制备出透明性良好的氧化镧钇激光陶瓷，发现添加的La₂O₃有效改善了Y₂O₃透明陶瓷的烧结性能，并具有良好的激光光谱性能。美国军方实验室首次报道了在Er³⁺:Y₂O₃透明陶瓷中获得2.71 μm的中红外激光输出，室温下最大输出功率380 mW。