[发明专利]钇铝石榴石和氧化钇双晶相透明陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种钇铝石榴石(YAG)和氧化钇(Y₂O₃)双晶相透明陶瓷及其制备方法，属于激光陶瓷领域。

背景技术

Nd:YAG单晶是目前性能最好，产量最大，用途最广的激光基质材料。但提拉法生长单晶由于其生长周期长、价格昂贵、尺寸小、掺杂浓度低，使其性能和应用范围受到限制。多年来材料科学工作者试图用玻璃、多晶陶瓷作为激光工作物质来替代单晶。玻璃虽然很容易做到大尺寸，但其热导却比单晶低一个数量级，极大的限制了其应用范围。由于陶瓷材料的气孔、杂质、晶界、基体结构对光的散射和吸收，长时期以来，人们认为陶瓷均为非透明。透明陶瓷激光材料在初期由于激光性能远不及激光晶体而没有得到关注，直到1995年的Ikesue[A.Ikesue，T.kinoshita，and K.Kamata，Fabrication andoptical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics forsolid-state lasers，J.Am.Ceramic.Soc.，1995，78(4)，1033.]等制备出高透明的Nd³⁺:YAG陶瓷，用LD端泵浦首次获得了激光输出。此后，透明陶瓷材料由于在制备技术和材料性能等方面具有单晶、玻璃激光材料无可比拟的优势而受到了人们极大的关注，并得到了迅速的发展。1999年神岛化学公司T.Yanagitani[T.Yanagitani，H.Yagi，and M.Ichikawa，Japanese patent，1998，10-101333；T.Yanagitani，H.Yagi，and Y.Hiro，Japanese patent，1998，10-101411.]研究小组采用纳米技术和真空烧结方法制备了高质量的Nd³⁺:YAG透明陶瓷，其吸收、发射和荧光寿命等光学特性与单晶几乎一致。

2000年，神岛化学公司和日本电气通信大学的K.Ueda研究小组[J.Lu，M.Prabhu，and J.Xu，.Highly efficient 2％Nd：yttrium aluminum garnet ceramiclaser，Appl.Phys.Lett.，2000，77(23)，3707-3709.]一起首次用这种方法实现了高效激光输出。基于这一技术，日本的神岛化学公司、日本电气通信大学、俄罗斯科学院的晶体研究所等联合开发出一系列二极管泵浦的高功率和高效率固体激光器，激光输出功率从31W提高到72W、88W和1.46KW，光-光转化效率从14.5％提高到28.8％、30％和42％。自Nd³⁺:YAG透明陶瓷在1995年首次获得激光输出至今，该方面的工作取得了令人瞩目的进展。在德国慕尼黑举行的关于高功率固体激光器的CLEO Focus 2001会议上，日本电气通信大学的Ueda教授指出，采用更大尺寸的Nd³⁺:YAG透明陶瓷材料和更大的泵浦功率，有望获得100kW级的激光输出。

激光陶瓷材料能够快速制造，且可批量制备。同时陶瓷介质提供了激光器设计的灵活性，可以调整陶瓷的物理、化学特性以及结构，有可能得到常规激光器不具备的特性。获得具有高热导率和光学质量的大块激光增益介质是至关重要的。同单晶相比，透明陶瓷具有以下优势：(1)容易制备出大尺寸的激光透明陶瓷，且形状容易控制；(2)制备周期短，生产成本低；(3)可以实现高浓度掺杂，光学均匀性好；(4)可制备出多层和多功能复合结构。同激光玻璃材料(以钕玻璃为例)相比，透明陶瓷激光材料(以Nd³⁺S:YAG透明陶瓷为例)的热导率高，有利于热量的散发，具有较高的抗热破坏能力；熔点高，可以承受更高的辐射功率；单色性好；可以实现连续的激光输出。