[发明专利]一种梯度掺杂的激光透明陶瓷及其制备方法

说明书

本发明提供了一种梯度掺杂稀土元素的激光透明陶瓷及其制备方法，充分利用注浆成型方法的特性，结合真空烧结，制备出具有梯度掺杂稀土元素的激光透明陶瓷，实现了激光透明陶瓷在梯度方向上具有从0.1at%~6at%的梯度稀土离子浓度。本发明的梯度掺杂稀土元素的激光透明陶瓷，相比于相同规格的高浓度掺杂稀土元素的激光透明陶瓷具有更好的透明度，相比于相同规格的低浓度掺杂稀土元素的激光透明陶瓷具有更好的光谱性能，同时具有更均匀的激光输出；其制备方法可以制备各种复杂形状的梯度掺杂激光透明陶瓷，这一点是其他方法无法实现的，同时，制备工艺简单，浓度梯度易控制，料浆基体适用范围广，成本低廉。

技术领域

本发明属于激光材料技术领域，具体涉及一种梯度掺杂的激光透明陶瓷及其制备方法。

背景技术

自二十世纪六十年代激光器问世以来，激光工作物质就备受关注。美国的梅曼发明的第一台激光器，由强光灯激励红宝石，从而发出激光。而后，固体激光工作物质逐渐发展出掺杂受激元素的玻璃、单晶和陶瓷。单从基质的角度来说，玻璃基质能得到大尺寸样品，但热导率低，很难制备大功率激光器；单晶的热导率比玻璃高，但是单晶生长周期长，制备工艺要求苛刻，成本昂贵，很难获得高品质、大尺寸的晶体；而陶瓷则具有两者所没有的优势，如可以高浓度且均匀的掺杂激活离子，制备周期短、成本低，可以制备大尺寸、形状复杂的材料，功能上也会有更多的发展空间。

要使陶瓷应用在激光器中，则需要陶瓷具有一定的透明度，即激光透明陶瓷。1964年，Carnall使用真空热压烧结制备出了掺Dy的CaF₂陶瓷，并在液氮温度下实现了激光振荡，振荡阈值与单晶近似，这是世界上第一台陶瓷激光器，也是第一个激光透明陶瓷。随后，1973~1974年C.Greskovich等研制出了Nd：Y₂O₃-ThO₂激光透明陶瓷；1995年，日本科学家A.Ikesue等，通过高温固相反应制备出高透明度的Nd:YAG激光透明陶瓷，同时制备出Nd:YAG透明陶瓷激光器。

此后，Re:YAG、Re:Y₂O₃等激光透明陶瓷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成为研究热点并得到迅速发展。例如，Cr³⁺，Nd³⁺：YAG双掺杂激光透明陶瓷是从最早的Nd³⁺：YAG发展而来的。2003年，日本激光技术研究所的T.Saiki提出通过Cr³⁺的掺杂来拓宽Nd³⁺的吸收光谱； 之后，K.Fujioka等对不同浓度Cr³⁺掺杂的Cr³⁺,Nd³⁺:YAG，在1%Nd掺杂下对0.1%~10%的Cr³⁺掺杂做了一系列的研究，并得出结论：荧光强度在6%Cr³⁺左右达到最高，但在Cr³⁺超过1%后，材料的荧光寿命就开始下降。也有其他学者对其元素的添加进行相关研究，如Ce^{3 +}的掺杂。

在现有的激光透明陶瓷中，各种掺杂的激光透明陶瓷都有自身无法克服的缺陷。如，Cr³⁺掺杂对荧光寿的损失；Cr³⁺,Nd³⁺:YAG激光透明陶瓷的激光均一性比较差。T.Saiki等指出，Cr³⁺,Nd³⁺:YAG陶瓷在激光器中进行实际应用时，陶瓷上下部分所受的光照条件不同，影响了所得激光的均一性，并进一步影响激光器的斜率效率、输出功率等性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过激光工作物质的性能改善提高现有技术中激光器性能，提出了一种梯度掺杂的激光透明陶瓷及其制备方法，通过注浆的方式，实现激光透明陶瓷中所掺杂元素的离子浓度的梯度变化，从而使得激光透明陶瓷在不同光照条件下可以得到均一性比较好的激光输出，并进一步提高激光工作物质的透明度、激发光谱宽度，提高激光器性能。