掺Nd氧化镧钇透明激光陶瓷的制备及其光谱性能研究

摘要

本文以掺Nd<'3+>氧化镧钇透明陶瓷为研究对象。添加La<,2>O<,3>以后，氧化镧钇透明陶瓷烧结温度可降至1350～1600℃。和Nd：Y<,2>O<,3>透明陶瓷相比，掺Nd<'3+>的氧化镧钇透明陶瓷具有更好的烧结性能，因此进一步研究其光谱性能以开发一种新型的陶瓷激光材料具有重要的意义。 本文首次采用商业粉体以固相法制备了透明性良好的掺Nd<'3+>氧化镧钇透明陶瓷，对其相组成、显微结构、光学性能进行了研究，同时采用Judd-Ofelt理论计算了掺Nd<'3+>氧化镧钇透明陶瓷的J-O参数并研究了La<,2>O<,3>和Nd<,2>O<,3>的掺杂量对材料光谱性能的影响。结果表明： 掺Nd<'3+>氧化镧钇透明陶瓷晶粒发育完好，内部显微结构致密，几乎无气孔。随着La<,2>O<,3>添加量的增加，样品的透过率增加，且随着波长的增加，其透过率迅速增加。当La<,2>O<,3>添加量为16at％时，样品1600～2000nm波长范围内的透过率达到65％，而在中低波段的透过率较低，小于20％。由混料不均匀形成的第二相是影响陶瓷光学透明度的主要因素。 La<,2>O<,3>的添加改变了基质中Nd<'3+>周围格位环境的对称性和极化程度，使Nd：Y<,2>O<,3>的参数Ω<,2>增大，并且Ω<,4>小于Ω<,6>。样品的三个J-O参数、吸收、发射截面以及量子效率都随La<,2>O<,3>添加量的增加先增大后减小，当La<,2>O<,3>添加量为8～12at％时具有最佳的光谱性能。 固相法制备的样品中存在的第二相会大大影响材料的光学性能。为了改进粉料的均匀性继而采用碳酸盐共沉淀法首次合成了掺Nd<'3+>氧化镧钇纳米粉体，并制备了具有优良光学性能的透明陶瓷。研究了粉料的性能、陶瓷的相组成、显微结构和光学性能，并采用J-O理论了研究了样品的光谱性能。结果表明：采用碳酸盐共沉淀法合成的Nd：(Y<,0.9>La<,0.1>)<,2>O<,3>粉体颗粒均匀、分散性好，粒径为50nm左右。采用这种粉体烧结的样品结构致密，组分均匀，不含第二相。和固相法制备的样品相比，湿化学法制备的氧化镧钇透明陶瓷的透过率显著提高，其中低波段的透过率从20％提高到60％左右。样品的透过率随波长变化不大，造成其光学损耗的主要的因素是残余气孔。 第二相的存在不但大大影响了样品的光学性能，并使其吸收性能下降、量子效率降低、发射截面减小、三个J-O参数等比例下降。为了制备高光学质量和高光谱质量的掺Nd<'3+>氧化镧钇透明陶瓷，必须改进粉料混合的均匀性，避免第二相偏析物的形成。 La<,2>O<,3>的添加不但改善了Nd：Y<,2>O<,3>透明陶瓷的烧结性能，也改善了其光谱性能。和Nd：Y<,2>O<,3>透明陶瓷相比，掺Nd<'3+>的氧化镧钇透明陶瓷具有光谱品质因子小、量子效率高、掺杂性能好、吸收、发射带宽宽等特点，其发射增益性能和Nd：Y<,2>O<,3>相当，是一种很有前景的高效率、高功率激光增益介质，可以作为可调谐激光器的增益元件被应用在光通讯、医学、大气光化学等各个领域，同时也是一种很有应用前景的微芯片激光器的增益介质。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.2透明激光陶瓷

1.3 Nd：YAG透明陶瓷

1.4 RE3+：Y2O3透明陶瓷

1.4.1晶体结构和物理性质

1.4.2 Y2O3透明陶瓷的研究现状

1.4.3 Y2O3透明陶瓷的制备方法

1.5 Judd-Ofelt理论

1.6课题的提出和主要研究内容

第二章掺Nd3+氧化镧钇透明陶瓷的制备以及性能表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1样品制备

2.2.2测试手段

2.3结果与讨论

2.3.1氧化镧钇透明陶瓷的物化性能表征

2.3.2显微结构的研究

2.3.3光学性能研究

2.4本章小结

第三章掺Nd3+氧化镧钇透明激光陶瓷的光谱性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.3.1 La2O3的添加对Nd：Y2O3透明陶瓷光谱性能的影响

3.3.2 Nd3+掺杂量对氧化镧钇透明陶瓷光谱性能的影响

3.4本章小结

第四章湿化学法制备掺Nd3+氧化镧钇透明陶瓷及其性能表征

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1纳米粉体制备

4.2.2透明陶瓷制备

4.2.3测试手段

4.3结果与讨论

4.3.1纳米粉体和陶瓷的物化性能表征

4.3.2显微结构研究

4.3.3光学性能研究

4.3.4光谱性能研究

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

作者在攻读学位期间公开发表的论文

致 谢