一种平板波导结构激光陶瓷材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种包含平板波导结构的 激光陶瓷材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟 踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科 和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相等方面。固体激光器在激光发射过程中会产生大 量废热，这些热量如果不及时散发出去会对增益介质产生扰动，影响光束质量，限制激光功 率的提高，因此，必须对增益介质的结构进行优化设计。
[0003] 波导结构是介质衬底表面上或内部形成的折射率相对较高的微型区域，这一区 域被折射率较低的区域包裹，从而能将光限制在微米量级的结构内进行传输。将光波导 结构应用于激光增益介质，其最大特点是它能够有效地限制光束发散，提高增益介质中 的光密度，从而实现低阈值、高功率的激光输出。同时，将波导层包裹在热导率高的材 料中，可及时传导激光发射中产生的废热，保证光束质量。Raytheon公司[Raytheon. Next-Generation Lasers for Advanced Active EO Systems. RAYTHEON TECHNOLOGY TODAY，2008, 1:9-12.]已证明平板波导激光结构在小型、高效、高能固态激光器上具有应用 白勺可倉泛性。Kang 等[Η· X. Kang, H. Zhang et al. An end-pumped Nd: YAG planar waveguide laser with an optical to optical conversion efficiency of58°/0. The Laser Physics Letters，2008, 5(12) :879-881]采用热键合技术制备了平板波导结构YAG/Nd:YAG/YAG激 光晶体，光束质量因子M为2. 6,光光转换效率达到了 58%。然而该方法是将YAG与NchYAG 单晶通过热键合的方式结合在一起，即将YAG与NchYAG单晶分别双面精细抛光，再在一定 的温度下热处理，使YAG与Nd: YAG单晶界面处的原子相互扩散，以分子间作用力结合为一 个整体。而热键合厚度为几十微米的单晶材料的难度很大，加工时材料易开裂，热键合后的 材料界面结合强度不够高，同时会引入界面缺陷，使得大功率激光服役条件下的材料容易 产生机械破坏。
[0004] 固态激光器发展的最初阶段，都是以晶体和玻璃作为激光增益介质，因此目前国 内外报道的大多是晶体和玻璃平板波导激光器。玻璃因其本身热学和机械性能较差，发展 应用受到一定限制。近十几年来，激光陶瓷得到迅速发展，尤其是NchYAG陶瓷激光器，已实 现 IOOkW 以上的激光输出[Georges Boulon. Fifty years of advances in solid-state laser materials. 2012, 34:499-512.]，同时NchYAG激光陶瓷也表现出了与晶体相当的光 学质量。在NchYAG激光陶瓷中实现类似的光波导结构，利用波导结构增加光密度，降低热 效应，对激光陶瓷的发展将具有重要意义。
[0005] 目前平板波导的制备工艺技术分为三类。一类以外延生长技术为主，包括液相外 延技术、分子束外延技术和脉冲激光沉淀技术等，它们共同的特点是需要昂贵的专用设备 和复杂的制备工艺，而且只能将晶格常数接近的材料组合在一起。另一类是通过改变某种 材料的化学成分从而形成折射率差异的技术，包括离子掺杂、离子扩散和离子交换技术，它 们制备成本低，但是器件的损耗很大。最后是后加工技术，包括热键合和飞秒激光加工技 术，前者对微米级芯层的加工难度很高，后者价格昂贵。
[0006] 流延成型可以制备致密度高、流延膜厚度可控、表面光滑平整的陶瓷坯体，将 不同组分的流延膜叠层处理可以制备微米级平板波导结构激光陶瓷。2008年，美国宾 夕法尼亚州立大学的G.L.Messing等向美国国家专利局申请了专利[G L Messing，E R Kupp,S Lee,et al. Method for manufactuLn of transpaLnnt ceramics[P]. US patent，7799267.]，详细介绍了非水基流延成型工艺在透明陶瓷中的应用技术。近年来， 中国科学院上海硅酸盐研究所已采用流延成型技术成功制备了多层复合结构YAG激光 陶瓷[Xuewei Ba, Jiang Li, Yubai Pan, Yanping Zeng, Huamin Kou, ffenbin Liu, Jing Liu, JingkunGuo. Comparison of aqueous-and non-aqueous-based tape casting for preparing YAG transparent ceramics.J.Alloy Compd. , 2013, 557,228-231 ；Xuewei Ba,Jiang Li, Yanping Zeng, Yubai Pan,Benxue Jiang, ffenbin Liu, Liang Wang, Jing Liu,JingkunGuo. Transparent Y3Al5O12Ceramics produced by an aqueous tape casting method. Ceram. Int. , 2013, 39(4) :4639-4643]。在此基础上对复合结构进行优化设计，可以 制备出平板波导结构激光陶瓷。
[0007] 因此，关于如何提升平板波导结构激光陶瓷的性能及其制备工艺，已经成为这一 领域研究人员的重要研究方向。
【发明内容】
[0008] 本发明旨在优化现有平板波导结构激光陶瓷及其制备工艺，本发明提供了一种包 含平板波导结构的激光陶瓷材料及其制备方法。
[0009] 本发明提供一种平板波导结构激光陶瓷材料，其特征在于，所述材料包括芯层和 包覆所述芯层的上下包层，其中，芯层采用掺有激活离子Ln的RAG多晶陶瓷，其化学组成为 (LnxR1 J3Al5O12，包层采用纯RAG多晶陶瓷，其化学组成为R3Al 5O12，其中Ln为NcU Yb、Er、Ho 和/或Tm, R为Y或Lu, 0〈x = 1，所述芯层和包层分别通过流延成型、然后叠层烧结制得平 板波导结构激光陶瓷材料。
[0010] 较佳地，当Ln为Nd时，0〈x兰0.08,其中，优选0.001兰X兰0.03 ;当Ln为Yb、 Er、Ho和/或Tm时，0〈x兰1，根据实际应用需求优选X取值。
[0011] 较佳地，所述芯层的厚度为500 μ m以下，所述包层的厚度为0. 1~5mm。
[0012] 较佳地，所述陶瓷材料还包括通过与热沉材料键合的方式形成在上下包层外的外 包层。
[0013] 本发明还提供一种制备所述陶瓷材料的方法，所述方法包括： 1) 按照R3Al5O12的化学计量配比称量第一原料粉体，第一原料粉体与溶剂、分散剂混 合、一次球磨制备初级包层浆料，在初级包层浆料中加入粘结剂和塑化剂，进行二次球磨， 得到包层浆料，采用所述包层浆料通过流延成型制得包层前驱体膜； 2) 按照（LnxR1 J3Al5O12的化学计量配比称量第二原料，第二原料与溶剂、分散剂混合、 一次球磨制备初级芯层浆料，在初级芯层浆料中加入粘结剂和塑化剂，进行二次球磨，得到 芯层浆料，采用所述芯层浆料通过流延成型制得芯层前驱体膜； 3) 在至少一层的所述芯层前驱体膜上下分别叠层至少一层包层前驱体膜得到RAG/ Ln:RAG/RAG激光陶瓷的素坯； 4) 将所得素坯排胶、冷等静压处理； 5) 将冷等静压处理后的素坯进行烧结，获得RAG/Ln:RAG/RAG激光陶瓷； 6) 对RAG/Ln:RAG/RAG激光陶瓷进行退火热处理，以消除氧空位，再双面抛光至规定的 厚度得到平板波导结构激光陶瓷材料。
[0014] 较佳地，步骤1)中的第一原料和/或步骤2)中的第二原料的纯度大于99. 9% ; 所述步骤1)中的Al、Y或Yu，以及2)中的Al、Y或Yu、Ln来自以下原料中的一种：a) 商用的高纯Al2O3纳米粉体，Y2O3纳米粉体和Lu 2O3纳米粉体中的其中之一，以及Ln2O3纳米 粉体； b) 商用的高纯A1203、Ln2O3纳米粉体，以及实验室湿化学法制备的高纯Y 2O3纳米粉体、 Lu2O3纳米粉体其中之一； c) 商用的高纯Y2O3纳米粉体、Lu2O3纳米粉体其中之一、Ln 2O3纳米粉体和实验室湿化学 法制备的高纯Al2O3纳米粉体； d) 实验室湿化学法制备的高纯Ln = Y2O3纳米粉体、Ln = Lu2O3纳米粉体其中之一，以及商 用的高纯Al2O3粉体； e) 实验室湿化学法制备的高纯Ln = YAG纳米粉体和YAG纳米粉体的组合，或者LikLuAG 纳米粉体和LuAG纳米粉体的组合； 所述实验室湿化学法包括沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧合成法。
[0015] 较佳地，所述步骤1)和/或步骤2)中的流延成型采用水基流延成型，所用的溶剂 为水，分散剂为聚丙烯酸水溶液、聚甲基丙烯酸水溶液、柠檬酸铵中的至少一种，粘结剂为 聚乙烯醇水溶液、丙烯酸乳液、聚丙烯酸酯、聚醋酸乙烯酯中的至少一种，塑化剂为聚乙二 醇、丙三醇、甘油中的至少一种。
[0016] 较佳地，所述步骤1)和/或步骤2)中的流延成型采用非水基流延成型，所用的溶 剂为有机溶剂无水乙醇、丙酮、丁酮、甲苯、二甲苯中的至少一种，分散剂为緋鱼油、蓖麻油、 玉米油中的至少一种，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑化剂为聚乙二醇、邻苯二甲酸丁苄酯、 甘油三酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种。
[0017] 较佳地，所述步骤1)和/或步骤2)中一次球磨的转速为80-250rpm，时间为8-15 小时，所得浆料的固含量为20-50vol%。
[0018] 较佳地，所述步骤1)和/或步骤2)中二次球磨的转速为100_300rpm，时间为 12-24小时，所得浆料的固含量为20-35vol. %。
[0019] 较佳地，步骤1)和/或步骤2)中的流延成型中所用的流延成型刀口间距为 30-1000 μ m，刀 口刮速 0· 1-1. 5m/ 分钟。
[0020] 较佳地，步骤3)中，叠层后装入干压模具中，在50-150°C的烘箱中软化5-60分钟， 接着在5-60MPa的压强下干压成型。
[0021] 较佳地，步骤4)所用的排胶过程为在0. 1_5°C /分钟的升温速率下升温至所添加 的有机物的分解温度，保温1-24小时。
[0022] 较佳地，步骤4)排胶后的素坯在100_300MPa的压力下冷等静压成型，保压时间 1-30分钟。