激光透明陶瓷及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种Nd3+掺杂(Y1-xScx)2O3激光透明陶瓷及其制备方法，属特种陶瓷材料制造工艺【技术领域】。本发明采用高纯Nd2O3、Y2O3和Sc2O3纳米粉为原料，在较低温度条件下，采用固相烧结法制备Nd3+掺杂(Y1-xScx)2O3激光透明陶瓷。通过本发明方法制得的Nd3+掺杂(Y1-xScx)2O3激光透明陶瓷，根据检测实验证实具有较宽的发射带宽，可用于实现超短锁模脉冲激光输出。本发明方法制得的Nd3+掺杂(Y1-xScx)2O3激光透明陶瓷与现有Y2O3-Sc2O3体系单晶相比，制备工艺简单，制造成本低，有利于工业规模化生产，扩充了该领域固体激光材料的种类。
【专利说明】
Nd3+掺杂(Y HScg2O3激光透明陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种陶瓷材料及其制备工艺，特别是涉及一种固体激光陶瓷材料及其制备工艺，应用于激光增益介质和特种陶瓷制造工艺【技术领域】。
【背景技术】
[0002]自脉冲激光器问世以来，超短脉冲激光在超快物理、生物、化学等领域发挥着越来越重要的作用。钛宝石(Ti=Al2O3)激光器是目前可以获得最短脉冲、使用最多的超快激光装置。然而其所用的泵浦源具有体积大、电效率低、价格昂贵等缺点，限制了它作为商用飞秒激光器向便携式、低成本方向的发展。高功率二极管半导体激光器(LD)的飞速发展给掺Yb3+激光材料在飞秒激光领域的应用提供了便利的泵浦源，然而Yb 3+掺杂的激光增益介质是三能级系统，三能级系统的阈值较高，不容易实现激光振荡。Nd3+是较早被人们研宄的一种稀土离子，Nd3+掺杂的激光增益介质是四能级系统，具有阈值低、量子效率高、受激辐射面大，易实现激光振荡。因此，对Nd3+掺杂的激光增益介质的开发和研宄具有重要意义。
[0003]其中立方结构Sc2O3具有优异的化学、光学及机械性能，是一种优异的掺Nd 3+激光基质材料。该材料的热导率很高，达到16.5W/mK，适于高功率激光输出，因此在高功率超短脉冲激光等方面具有诱人的应用前景。根据锁模原理，只有宽的发射带宽才能获得超短的脉冲宽度，但NchSc2O3的发射带宽仍显不够。如果要实现更短的脉冲激光输出，就必须增大其带宽。通过将Nd: Sc2O3与其他Nd3+掺杂倍半氧化物复合，可实现两种材料发射峰的叠加，获得更宽的发射带宽，有利于超短锁模激光脉冲的实现。相图显示Y2O3与Sc2O3可按任意比例固溶，形成立方相固溶体。该材料具有与LuScOJg似的无序结构，可实现掺杂离子发射峰的非均匀展宽。这一现象已在Nd:YScO#P Er = YScO3单晶中得到了证实。然而目前这方面的研宄仅停留在YScO3单晶材料，尚无相关陶瓷材料的报道。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种Nd3+掺杂(Y hScJA激光透明陶瓷及其制备方法，所制备的透明陶瓷材料具有较宽的发射带宽，与现有Y2O3-Sc2O3体系单晶相比，制备工艺简单，制造成本低，有利于工业规模化生产，能用于超短锁模脉冲激光器，适于实现超短锁模激光脉冲输出，扩充了该领域固体激光材料的种类。
[0005]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种Nd3+掺杂(Y ^Scx) 203激光透明陶瓷，以Y 203和Sc 203为基体材料，以Nd 203为掺杂材料，制成Nd3+掺杂的Y2O3-Sc2O3体系透明陶瓷复合材料，按不同氧化物组分占透明陶瓷复合材料的物质摩尔量摩尔百分比来计算，各氧化物组分配比如下4(1203为1.0 at.%、Y203为0~99 at.%、Sc2O3为 0~99 at.%。
[0006]本发明还提供一种Nd3+掺杂(YhScx)2O3激光透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤: a.采用重量百分比含量为99.99%的高纯Nd2O3、重量百分比含量为99.99%的Y2O3和重量百分比含量为99.99%的Sc2O3的纳米粉为原料，以Y2O3和Sc2O3为基体材料，以Nd2O3为掺杂材料，掺入量均以摩尔百分比为计，各原料组分的摩尔量配比如下删203为1.0 at.%、Y2O3为 0~99 at.%、Sc 2。3为 0~99 at.% ；
b.将按在步骤a中的配方配制好的基体材料和掺杂材料进行搅拌，充分均匀混和，并对混合料无水乙醇中进行湿法混磨5小时；
c.将在步骤b中经混磨后的混合料在90°C温度下烘干，然后在1200°C下预烧8~10小时；
d.再次将在步骤c中经过预烧的混合料无水乙醇中进行湿法混磨5小时；
e.将再次在步骤d中经混磨后的混合料在90°C温度下烘干，随后进行造粒，得到粉料；
f.将在步骤e中造粒后的粉料干压成型，然后在200MPa的冷等静压下将粉料压成片状生坯试样；
g.将在步骤f中制备的生坯试样置于钼丝氢气炉或真空炉中进行烧结，烧结温度范围为1600?1700°C，保温时间为20~25小时，最终获得致密的Nd3+掺杂(Y ^xScx) 203透明激光陶瓷。
[0007]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明采用高纯Nd203、Y20#PSc 203纳米粉为原料，在较低温度条件下，采用固相烧结法制备Nd3+掺杂(Y 激光透明陶瓷，相比单晶，本发明制备的透明陶瓷材料烧结温度低，周期短，掺杂浓度高且掺杂均匀性好，能大尺寸制备，故采用陶瓷工艺制备Nd3+掺杂的Y2O3-Sc2O3体系透明陶瓷具有十分重要的商业价值；
2.本发明以高纯纳米粉为原料，采用陶瓷工艺制备出了可用于超短锁模脉冲激光的Nd3+掺杂(YhScx)2O3透明激光陶瓷，该透明陶瓷材料具有较宽的发射带宽，适于实现超短锁模激光脉冲输出；
3.本发明相比现有Y2O3-Sc2O3体系单晶，制备工艺简单，所制备的陶瓷材料组织致密均匀，制造成本低，有利于工业规模化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明实施例一的Nd3+掺杂的Y203-Sc203体系的透明陶瓷的发射光谱。
【具体实施方式】
[0009]本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中，一种Nd3+掺杂(Y激光透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
a.采用重量百分比含量为99.99%的高纯Nd2O3、重量百分比含量为99.99%的Y2O3和重量百分比含量为99.99%的Sc2O3的纳米粉为原料，以Y2O3和Sc2O3为基体材料，以Nd2O3为掺杂材料，掺入量均以摩尔百分比为计，各原料组分的摩尔量配比如下删203为1.0 at.%、Y2O3为 49.5 at.%、Sc 203为 49.5at.% ；
b.将按在步骤a中的配方配制好的基体材料和掺杂材料进行搅拌，充分均匀混和，并对混合料无水乙醇中进行湿法球磨5小时；
c.将在步骤b中经球磨后的混合料在90°C温度下烘干，然后在1200°C下预烧8小时；
d.再次将在步骤c中经过预烧的混合料放入球磨罐中，并在无水乙醇中进行湿法球磨5小时；
e.将再次在步骤d中经混磨后的混合料在90°C温度下烘干，随后进行造粒，得到粉料；
f.将在步骤e中造粒后的粉料干压成型，然后在200MPa的冷等静压下将粉料压成片状生坯试样；
g.将在步骤f中制备的生坯试样置于钼丝氢气炉或真空炉中进行烧结，烧结温度范围为1600°C，保温时间为20小时，最终获得致密的Nd3+掺杂(Y hScJA透明激光陶瓷。
[0010]在本发明实例中，Nd3+掺杂的(YhScx)2O3透明陶瓷材料制备工艺简单，制造成本低，有利于工业规模化生产。图1为采用法国J-Y公司FluOTophog-3荧光光谱仪测试的1.0at.% Nd: (Ya5Sca5)2O3透明陶瓷样品的发射光谱，从图中可见本发明中的透明陶瓷的最强发射峰位于1088 nm处，半高宽(FWHM)为19nm，相对于Nd: Y2O3及Nd: Sc 203透明陶瓷发射峰的3nm半高宽发生了明显的展宽。这说明采用本实例制备方法制备的Nd3+掺杂(YhScx)2O3透明激光陶瓷符合超短锁模脉冲激光技术中对于宽发射带宽的要求，可以用作优异的超短脉冲激光材料。本实施例采用高纯Nd203、Y2O3和Sc 203为原料，在较低温度条件下制得Nd 3+掺杂(YhScx)2O3透明激光陶瓷。通过本实施例方法制得的Nd3+掺杂(YhScx)2O3激光透明陶瓷，根据检测实验证实具有较宽的发射带宽，可用于实现超短锁模脉冲激光输出。基于目前可用于超短锁模脉冲激光技术的Y2O3-Sc2O3体系单晶，生长工艺需要昂贵的设备、生产周期长、成本高，不易制备大尺寸。本实施例采用陶瓷制备工艺制备Nd: (YhScx)203透明激光陶瓷，能用于超短锁模脉冲激光器，并扩充了该领域固体激光材料的种类。
[0011]实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，Nd3+掺杂(YhScx)2O3激光透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
a.采用重量百分比含量为99.99%的高纯Nd2O3、重量百分比含量为99.99%的Y2O3和重量百分比含量为99.99%的Sc2O3的纳米粉为原料，以Y2O3和Sc2O3为基体材料，以Nd2O3为掺杂材料，掺入量均以摩尔百分比为计，各原料组分的摩尔量配比如下删203为1.0 at.%、Y2O3为 99 at.%、Sc 203为 O at.% ；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.本步骤与实施例一相同；
e.本步骤与实施例一相同；
f.本步骤与实施例一相同；
g.本步骤与实施例一相同。
[0012]实施例三:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，Nd3+掺杂(YhScx)2O3激光透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
a.采用重量百分比含量为99.99%的高纯Nd2O3、重量百分比含量为99.99%的Y2O3和重量百分比含量为99.99%的Sc2O3的纳米粉为原料，以Y2O3和Sc2O3为基体材料，以Nd2O3为掺杂材料，掺入量均以摩尔百分比为计，各原料组分的摩尔量配比如下删203为1.0 at.%、Y2O3为 89 at.%、Sc 203为 10 at.% ；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.本步骤与实施例一相同；
e.本步骤与实施例一相同；
f.本步骤与实施例一相同；
g.本步骤与实施例一相同。
[0013]实施例四:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，Nd3+掺杂(YhScx)2O3激光透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
a.采用重量百分比含量为99.99%的高纯Nd2O3、重量百分比含量为99.99%的Y2O3和重量百分比含量为99.99%的Sc2O3的纳米粉为原料，以Y2O3和Sc2O3为基体材料，以Nd2O3为掺杂材料，掺入量均以摩尔百分比为计，各原料组分的摩尔量配比如下删203为1.0 at.%、Y2O3为 10 at.%、Sc 203为 89 at.% ；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.本步骤与实施例一相同；
e.本步骤与实施例一相同；
f.本步骤与实施例一相同；
g.本步骤与实施例一相同。
[0014]实施例五:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，Nd3+掺杂(YhScx)2O3激光透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
a.采用重量百分比含量为99.99%的高纯Nd2O3、重量百分比含量为99.99%的Y2O3和重量百分比含量为99.99%的Sc2O3的纳米粉为原料，以Y2O3和Sc2O3为基体材料，以Nd2O3为掺杂材料，掺入量均以摩尔百分比为计，各原料组分的摩尔量配比如下删203为1.0 at.%、Y2O3为 O at.%、Sc 203为 99 at.% ；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.本步骤与实施例一相同；
e.本步骤与实施例一相同；
f.本步骤与实施例一相同；
g.本步骤与实施例一相同。
[0015]综合以上实施例，相对于实施例一，实施例二?实施例五是通过改变基质中Y2O3与Sc2O3的摩尔浓度比，制备了 1.0 at.% Nd3+掺杂的(Y^Scx)2O3透明陶瓷。采用实施例二?实施例五方法制得的Nd3+掺杂(Y透明陶瓷，其性能与实施例一中制得的Nd 3+掺杂(YhScx)2O3透明陶瓷的光学性能基本一致，其发射峰均相对于Nd:Y 203及Nd:Sc 203发生了明显展宽。
[0016]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明Nd3+掺杂(YhScx)2O3激光透明陶瓷及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种Nd 3+掺杂(Y hSOA激光透明陶瓷，以Y 203和Sc 203为基体材料，其特征在于，以Nd2O3为掺杂材料，制成Nd3+掺杂的Y2O3-Sc2O3体系透明陶瓷复合材料，按不同氧化物组分占透明陶瓷复合材料的物质摩尔量摩尔百分比计算，各氧化物组分配比如下:Nd203为1.0at.%、Y2O3为 0~99 at.%、Sc 203为 0~99 at.%。
2.一种权利要求1所述Nd3+掺杂(YhScx)2O3激光透明陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: a.采用重量百分比含量为99.99%的高纯Nd2O3、重量百分比含量为99.99%的Y2O3和重量百分比含量为99.99%的Sc2O3的纳米粉为原料，以Y2O3和Sc2O3为基体材料，以Nd2O3为掺杂材料，掺入量均以摩尔百分比为计，各原料组分的摩尔量配比如下删203为1.0 at.%、Y2O3为 0~99 at.%、Sc 2。3为 0~99 at.% ； b.将按在所述步骤a中的配方配制好的基体材料和掺杂材料进行搅拌，充分均匀混和，并对混合料无水乙醇中进行湿法混磨5小时； c.将在所述步骤b中经混磨后的混合料在90°C温度下烘干，然后在1200°C下预烧8-10小时； d.再次将在所述步骤c中经过预烧的混合料无水乙醇中进行湿法混磨5小时； e.将再次在所述步骤d中经混磨后的混合料在90°C温度下烘干，随后进行造粒，得到粉料； f.将在所述步骤e中造粒后的粉料干压成型，然后在200MPa的冷等静压下将粉料压成片状生坯试样； g.将在所述步骤f中制备的生坯试样置于钼丝氢气炉或真空炉中进行烧结，烧结温度范围为1600?1700°C，保温时间为20~25小时，最终获得致密的Nd3+掺杂(YhScx)2O^明激光陶瓷。
【文档编号】C04B35/505GK104478433SQ201410733799
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】卢青, 杨秋红, 蒋岑, 袁野, 陆神洲 申请人:上海大学