纳米粉体制备Yb掺杂氧化镧钇透明激光陶瓷及其发光性能的研究

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，是一种非常有前景的固体激光材料。然而，其熔点高达2430℃，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。近来随着透明陶瓷制备技术的发展，稀土离子掺杂的Y2O3透明激光陶瓷引起了人们的广泛注意。Y2O3透明陶瓷的热导率是YAG的两倍，且热膨胀系数相近，采用纳米技术以后，其烧结温度从2100℃降至1700℃。目前多种稀土离子掺杂的Y2O3透明陶瓷都已经成功实现了激光输出，研究证明Y2O3透明陶瓷是高功率、高效率激光介质的优良基质材料。 本文以Yb3+掺杂氧化镧钇透明陶瓷为研究对象，采用商业纳米粉体并结合传统陶瓷制备工艺，在无压还原气氛下制备出透明性良好的掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷，研究了掺Yb3+氧化镧钇透明陶瓷的显微结构、光谱性能以及其激光性能。 Yb3+掺杂的氧化镧钇透明陶瓷结构致密，晶界清晰，不存在第二相，随着烧结温度、保温时间和La含量的增加，气孔被逐渐排除，透明陶瓷的透过率显著提高，特别是La含量为10at％，透明陶瓷样品的直线透过率高达81％。 在1100℃煅烧的(Yb0.05La0.05Y0.90)2O3纳米粉体的合作上转换发光峰位于498nm处，与文献报道的结果一致，而实验没有测得900℃以下样品的上转换发光，除纳米尺寸效应外，这还与煅烧温度高，结晶度高，发光增强密切相关；此外，同组分透明陶瓷的上转换发光也没有测得，其原因是透明陶瓷晶粒尺寸达到微米级，且掺入La3+离子后，引起Y2O3晶格常数增大，Yb3+离子间的距离变大，难以形成Yb3+离子对发光，这与微米粉制备(Yb0.05LayY0.85-y)2O3透明陶瓷(y=0.04～0.08)的结果一致。但La3+的浓度大于12at％时，合作上转换发光又出现且发光强度随着La3+掺杂浓度的增加而变强；随着Yb3+含量的增加，上转换发光强度先增大而后下降，特别15at％Yb掺杂时，其发光强度明显下降：Yb3+掺杂的氧化镧钇透明陶瓷合作上转换发光峰位于490nm处，与卷积公式计算的有所差异。 掺入La3+离子以后，引起(Yb0.05Y0.95-yLay)2O3透明陶瓷吸收截面、发射峰截面略有下降，但其荧光寿命显著提高，这非常有利于提高激光输出功率，波长948nm处的吸收截面与1075nm处的发射截面分别为0.70～0.72×10-20cm2和0.52～0.68×10-20cm2；(Yb0.05La0.05Y0.90)2O3透明陶瓷样品激光性能参数与5at％Yb：YAG晶体相差不大，表明Yb3+掺杂氧化镧钇透明陶瓷是一种良好的激光材料。制备了高光学质量的(Yb0.05La0.10Y0.85)2O3多晶透明陶瓷，采用端面泵浦，当输出镜透过率为9％时，获得了波长为1080nm、最大功率为500mW的连续激光输出，斜率效率13％，首次在国际上实现了掺Yb3+氧化镧钇透明陶瓷的激光输出。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1透明陶瓷

1.1.2透明陶瓷的工艺过程

1.1.3透明陶瓷的影响因素

1.2激光陶瓷

1.3 Y2O3透明陶瓷

1.3.1 Y2O3的晶体结构和物理化学性质

1.3.2 Yb3+激活离子

1.3.3 RE：Y2O3透明激光陶瓷的发展现状

1.3.4 Y2O3透明陶瓷的制备工艺

1.4上转换发光

1.4.1概述

1.4.2合作上转换发光

1.5课题的提出

第二章Yb3+掺杂氧化镧钇透明陶瓷的制备及性能表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验过程

2.2.2样品加工

2.2.3样品测试

2.3实验结果与讨论

2.3.1氧化镧钇纳米粉体性能表征

2.3.2氧化镧钇透明陶瓷性能表征

2.4本章小结

第三章Yb3+掺杂氧化镧钇透明陶瓷发光性能的研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1吸收光谱测试

3.2.2荧光光谱和荧光寿命测试

3.3结果与讨论

3.3.1 Yb3+掺杂氧化镧钇纳米粉体的上转换发光

3.3.2Yb3+掺杂的氧化镧钇透明陶瓷的光谱性能

3.3.3 La3+的含量对Yb3+掺杂氧化镧透明陶瓷光谱性能的影响

3.4本章小结

第四章Yb3+掺杂氧化镧钇透明陶瓷激光性能研究

4.1激光实验

4.2本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者在攻读学位期间公开发表的论文

致谢