高性能Nd:YAG激光透明陶瓷的制备及激光实验

摘要

掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)多晶陶瓷可避其单晶和玻璃之劣势而集两者之优势于一身，具有良好的光学性能和机械强度以及稳定的物理化学性质，被广泛应用于激光增益介质及透明窗口材料。
　　本论文选用高纯商业氧化钇、氧化铝、氧化钕为原料，以正硅酸乙酯和氧化镁为烧结助剂，采用固相反应法，利用真空烧结技术，在高温下制备1at％Nd:YAG激光透明陶瓷。实验中，我们深入研究和讨论了原料 Y2O3不同温度热处理对样品透过率的影响及其机理；运用高能球磨机制备了粒度较小、尺寸均一的Y2O3粉体，并使用其制备了实验样品且展开了相关分析；运用冷等静压技术制备样品素坯，并与传统手动压片对比中体现其优势；将真空烧结过程的升温阶段和保温阶段分而研究，在详细对比分析其现象和探讨机理中，确定最佳升温速率和保温时间；探究了退火处理影响样品透过率的内因；最终进一步改进实验方案，制得高质量实验样品，并搭建出光系统，对样品进行出光试验。最终我们得到如下结论：
　　1）基于电镜扫描图（SEM）的观察，氧化钇原料颗粒为有断层的块状结构，且有大量空隙存在于断层之中，这些空隙在一定程度上会形成样品内部影响透过率的气孔。对氧化钇进行热处理，能有效消除这些空隙，进而减少样品内气孔的形成而提高样品透明度。
　　2）通过高能球磨机球磨处理，可得到粒度较小、尺寸均一的Y2O3原料粉体，理论上讲，粒度减小则比表面积增大，活性增强，可促进烧结过程的进行并提高其致密化程度。
　　3）运用冷等静压机压片，可使得样品素坯具有良好的致密性和均匀性，一方面可在烧结前最大程度减少样品内部的气孔，另一方面良好的均匀性有利于样品在烧结过程中形成尺寸均匀的晶粒，而减少光在样品内部的损耗，从而提高样品透过率。
　　4）烧结过程升温速率为1℃/1.5min，既可为样品内气孔排出提供足够时间，又不至于晶粒生长过大晶界数量减少而减少气孔排出通道，此升温速率下制备的样品透过率高。
　　5）烧结过程中保温时间的延长，有利于气孔的最大化排出和增加样品的致密性，进而提高样品透过率。在实验对比中发现，保温时间超过30h后，样品透过率增加极其微小，综合考虑实验成本和要求，将30h确定为实验的最佳保温时间。
　　6）退火处理可有效消除样品内的氧空位和应力，提高样品在可见光范围内的透过率。
　　7）最后的出光实验不理想，分析其原因一方面可能是陶瓷样品阈值问题，微小气孔和杂质构成的第二相形成光的散射和吸收中心，降低样品对808nm波长入射光的吸收利用；另一方面可能是样品的实际厚度较薄，小于波长为808nm光进入样品体内强度将为原强度1/e时的吸收长度，以致不能产生足够能量来稳定发射波长为1064nm激光。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2激光透明陶瓷材料的技术优势及应用

1.3 YAG透明陶瓷的起源与发展

1.4本研究工作的主要内容

第二章 Nd:YAG的晶体结构和能带

2.1引言

2.2 Nd:YAG的晶体结构

2.3 Nd:YAG的能级结构

2.4本章小结

第三章 Nd:YAG特性研究

3.1引言

3.2透明度研究

3.3热特性研究

3.4本章小结

第四章 Nd:YAG出光原理分析及激光系统的构建4.1引言

4.2激光器的阈值条件

4.3输出功率

4.4模式

4.5 Nd:YAG激光透明陶瓷出光实验的激光系统构建

4.6光学薄膜

4.7本章小结

第五章 Nd:YAG透明陶瓷的制备及研究

5.1引言

5.2实验原料及化学试剂

5.3实验设备及测试手段

5.4实验制备的基本步骤

5.5对Y2O3原料的不同热处理

5.6运用高能球磨机对Y2O3原料进行球磨处理

5.7 Y2O3原料经过不同温度处理后对样品透过率的影响

5.8等静压成型技术对样品透过率的影响

5.9真空烧结升温速率对样品透过率的影响

5.10 真空烧结保温时间对样品透过率的影响

5.11 退火处理对样品透过率的影响

5.12 实验整体分析

5.13 本章小结

第六章 Nd:YAG透明陶瓷的激光实验

6.1引言

6.2对样品进行光学抛光镀膜

6.3对样品进行出光实验

6.4本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

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