钇铝石榴石(yag)透明陶瓷的制备

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1、青岛科技大学研究生学位论文第一章文献综述1997年美国首次提出了固体热容激光器。LD抽运的固体激光器具有结构简单、高功率、体积小、模式少等优点，是一种很有应用前景的光源。迄今为止，对于固体激光器来说主要有三种激光介质：单晶、玻璃和陶瓷。其中，Nd：YAG单晶因其优异的物理化学性能而成为最重要的固体激光材料。但是，由于单晶的生产成本高、生长周期长、掺杂浓度低且分布不均匀等因素使得它的应用受到限制。陶瓷激光介质相对晶体工作物质有许多优点，给激光器的设计带来了很大的自由度。陶瓷的高掺杂浓度能克服其光学吸收

2、截面小的缺点，且多晶陶瓷的物理参数如热导率，光学性质如吸收光谱、发射光谱、荧光寿命等都和单晶相似。正是由于多晶陶瓷能弥补单晶的许多不足，因此其不失为单晶的强有力的替代者。1．1钇铝石榴石(YAG)简介1．1．1YAG的晶体结构YAG的分子式为Y3A15012，属立方晶系，空间群为OhlO-Ia3d，其品格常数为12．005A。每个晶胞中含8个Y3A15012分子。灿”有两种占位，占据四面体或八面体的中心位置，02。处在四面体和八面体的角上。每个四面体的四个项角都和八面体的顶角相连，构成一些十二面体的

3、空隙，这些空隙呈畸变立方形，而Y”占据在十二面体的中心位置。钇铝石榴石中Y-O键的长度为2．45A，Y”与稀土离子的半径接近，使十二面体格位中有可能掺入一定数目的三价稀土离子，作为激活离子。A13+离子的半径小，不易被稀土离子取代。表1．1是YAG的结晶学特征参数【1。31。图1．1为YAG的晶体结构【11。表1．1YAG的结晶学特征参数Tablel-ICrystallographicCharacteristecsofYAG◆一Al●§一Y—o图1-1钇铝石榴石的晶体结构lI】Fig．1—1Crys

4、talStmctu陀ofYAGAbell等人【4】对Y203．Ab03进行了系统的探讨，在Y203．砧203的二元体系中除了Y3AlsOl2之外，还存在YAl03和Y4灿209两种化合物。其中，YAl03简称YAP(yttriumaluminumperovskite)，属斜方晶系；Y4A1209简称Y／LM(yttriumaluminummonoclinic)，属单斜晶系，如图1．2所示。■On‘图1-2Y203．舢203的二元系统相图【．1Fig．1-2PhasediagramofY203-A12

5、03system2青岛科技火学研究生学位论文1．1．2YAG的性能及用途YAG晶体具有良好的机械强度、化学稳定性和导热性，并能给激活离子提供良好的晶体场环境，因而是一种可掺杂稀土离子的主要的固体激光基质材料。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半导体泵浦Nd：YAG固体激光器具有结构简单、体积小、高效率、高功率等优点，可以应用于激光测距、激光制导、空间遥感和激光武器等领域。YAG粉体通过掺

6、杂Cc3+、Eu”、Tb”等离子还可以作为超短余辉荧光粉【孓引，在等离子平板显示、发光二极管、阴极射线管等方面都有着广阔的应用前景。由于YAG具有蠕变率低、高温稳定性及化学稳定性好，因此常被应用于热辐射转化器、电子元件的耐热涂层、电子真空仪表部件、耐化学腐蚀结构材料等。1．2透明陶瓷概述1．2．1透明陶瓷的优势掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)单晶常采用提拉法稳定生长，是目前中小型激光器中最常用的激光工作物质。但由于Nd3+的离子半径为0．104am，Y”的离子半径为0．092am，因为空间位置效应，Y

7、AG晶体中Y”不易被Nd”所取代，使得Nd”在钇铝石榴石中的分凝系数比较小，约为0．20-一0．15。Nd”浓度的偏析使该区域形成化学应力，导致中心区域的折射率高于周围区域的，成分的差异也会引起相应热膨胀系数的差异。此外，晶体的生长方式限制了晶体的尺寸，从而也限制了其潜在的输出功率【9】。钇铝石榴石(YAG)透明陶瓷的制备透明陶瓷激光材料具有许多单晶和玻璃所不具备的优点【l们。同单晶相比，透明陶瓷具备以下优势：(1)可实现更大的尺寸，只受熔炉加热区域的限制，且形状易于控制。(2)可将光学活性离子均匀

8、分布于样品中，并达到可控分布，以获得掺杂浓度高、光学均匀性好的透明陶瓷。(3)陶瓷材料的制备周期短，生产成本低。(4)可以制备出多功能的激光材料，陶瓷技术能够在同一块单板中同时包含多个组件。(5)能满足低的或无残余应力双折射，以提高其光学透明度。(6)具有更高的断裂韧性及抗破碎的性能。与钕玻璃相比，透明陶瓷激光材料具有如下的优点：(a)热导率高，是钕玻璃的14倍，有利于热量的散发；(b)YAG的熔点为1970℃，而钕玻璃的软化点约为660℃，这样Nd：YAG透明陶瓷激