一种高性能Cr3+,Nd3+复合掺杂GSGG激光陶瓷的制备方法与流程

本发明涉及一种cr³⁺,nd³⁺复合掺杂gsgg激光陶瓷及其制备方法，特别涉及一步共沉淀法制备cr³⁺,nd³⁺：gsgg纳米粉体，属于激光陶瓷制备技术领域。

背景技术：

激光技术的一个重要发展方向是高平均功率、高峰值功率的固体激光器。固体激光器的固体激光介质材料已从最初几种晶体发展到涵盖晶体、玻璃、陶瓷等三大领域的上百种材料。激光陶瓷的出现，为固体激光材料向高功率、大尺寸、多功能发展提供了全新的途径。晶体与激光陶瓷相比，生长周期长，制备成本较高，制备过程较为复杂，且掺杂浓度受限，不利于大规模生产，因多晶陶瓷不失为单晶的强有力的替代者。相对于玻璃来说，陶瓷的热导率更大，硬度大，振荡阈值低，有利于激光性能的提升。因此激光陶瓷有着晶体和玻璃无法比拟的特性。

石榴石晶体是在探索新晶体中至今所获得的综合性能最优良的激光基质晶体，属于立方晶系，是十二面体结构。与传统的yag相比，对于含sc的石榴石，sc取代al离子会增大十二面体晶格位置间距离，使得激活离子更易进入十二面体。在光学陶瓷中，稀土元素能够产生激光，因此稀土离子常被用作激光工作物质的激活离子。nd³⁺掺杂的激光陶瓷材料具有理想的四能级系统，具有阈值低、量子效率高、受激辐射面大，易实现激光振荡。但是单掺nd³⁺也有不足之处，容易产生畸变。早期粉体制备是通过固相反应法，即通过各粉体间球磨混合均匀，再通过高温长时间固相反应形成。该方法所得到的粉体颗粒尺寸大且粒径分布宽，烧结活性较差。

为克服以上缺点，本发明拟考虑再掺杂一种离子来减小畸变。不单是稀土离子，过渡金属离子也可作为激活离子。cr³⁺的荧光发射带与nd³⁺的吸收带有重叠，可作nd³⁺的荧光敏化剂。同时过渡金属离子可作为激活离子cr³⁺具有很高的八面体择位能，因此cr³⁺将尽可能处于八面体配位场，并且nd³⁺的有效泵浦带可被cr³⁺的额外吸收带所拓宽，能够增强发光。本发明拟采用一步共沉淀法制备出有利于后期激光陶瓷的烧结的纳米粉体，其优点在于成本低廉，易于大规模生产。与传统的yag相比，gsgg可高浓度掺杂，热性能和机械性能优良,物理化学特性性能稳定，有利于提高泵浦效率和输出光束质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高性能cr³⁺,nd³⁺复合掺杂gsgg激光陶瓷的制备方法，使用本发明提供的制备方法可以合成颗粒尺寸细小，烧结活性高的粉体，且制备的激光陶瓷光学性能优异。

一种高性能cr³⁺,nd³⁺复合掺杂gsgg激光陶瓷的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

1)采用高纯cr2o3、nd2o3、gd2o3、sc2o3及ga2o3粉为原料，按照材料的化学计量比进行配料，并加入硝酸，配成硝酸盐溶液，以氨水为沉淀剂，一步注入硝酸盐溶液中，同时进行充分搅拌，然后陈化形成沉淀液；

2)沉淀液经过滤、洗涤、烘干得前驱粉体，在空气气氛中800-1100℃煅烧，得cr³⁺,nd³⁺：gsgg纳米粉体；

3)对粉体干压成型后冷等静压，再通过真空烧结，待炉温冷却至室温，取出样品进行打磨、抛光，得cr³⁺,nd³⁺：gsgg激光陶瓷。

其中：步骤(1)中所述cr2o3、nd2o3、gd2o3、sc2o3及ga2o3为重量比含量99.99％高纯粉体，以gd2o3、sc2o3及ga2o3为基体材料，摩尔比为3：2：3，以cr2o3、nd2o3为掺杂材料，掺杂材料掺杂量以原子比为计为：cr2o30-2，nd2o30-2；配成的硝酸盐溶液浓度为5mol/l，一步注入氨水后，调节溶液的ph为8-10。

步骤(2)中所述沉淀在100℃烘干24h。

步骤(3)中所述干压成型压力为100-200mpa，冷等静压成型压力为200mpa；真空烧结温度为1500-1700℃，保温时间20-25h，最终获得cr³⁺,nd³⁺：gsgg激光陶瓷。

本发明的有益效果：本发明原料为高纯cr2o3、nd2o3、gd2o3、sc2o3及ga2o3粉，采用一步共沉淀法制备cr³⁺与nd³⁺复合掺杂gsgg激光陶瓷，掺杂浓度高且掺杂均匀性好，相比于该体系单晶，制备工艺简单，所制备的陶瓷材料组织致密。该陶瓷具有较宽的荧光谱线，较强的发光性能，有利于实现短脉冲激光输出。

附图说明

图1中(a)、(b)和(c)分别为实施例1、2和4制备的cr³⁺与nd³⁺复合掺杂gsgg激光陶瓷粉体的sem照片

图2(a)、(b)和(c)分别为实施例3、4和5制备的cr³⁺与nd³⁺复合掺杂gsgg激光陶瓷粉体的发射光谱图。

具体实施方式

实施例1

1)将重量比含量99.99％的高纯gd2o3、sc2o3及ga2o3粉按照摩尔比3:2:3溶于稀硝酸中，cr2o3、nd2o3粉分别按照0at.％、0at.％溶于稀硝酸，然后混合成均匀的5mol/l硝酸盐溶液。

2)以氨水为沉淀剂，一步注入上述混合溶液中，同时进行充分搅拌，调节溶液的ph为8-10，然后在室温陈化8h。

3)陈化后，采用去离子水和无水乙醇对沉淀物进行过滤、洗涤，洗涤好的沉淀物在干燥箱中100℃干燥24h，干燥后的粉体经过研磨在空气气氛中1000℃煅烧4h。

4)煅烧后的粉体先干压成型，压力为200mpa，再冷等静压成型，压力为200mpa。

5)素坯在1650℃真空烧结，保温时间25h，然后冷却至室温。

实施例2

采用实施例1相同工艺，只是将cr2o3、nd2o3粉分别按照0at.％、1at.％溶于稀硝酸，其余条件均同实施例1，同样能得到激光陶瓷。

实施例3

采用实施例1相同工艺，只是将cr2o3、nd2o3粉分别按照0.5at.％、1at.％溶于稀硝酸，其余条件均同实施例1，同样能得到激光陶瓷。

实施例4

采用实施例1相同工艺，只是将cr2o3、nd2o3粉分别按照1at.％、1at.％溶于稀硝酸，其余条件均同实施例1，同样能得到激光陶瓷。

实施例5

采用实施例1相同工艺，只是将cr2o3、nd2o3粉分别按照2at.％、1at.％溶于稀硝酸，其余条件均同实施例1，同样能得到激光陶瓷。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种高性能Cr3+,Nd3+复合掺杂GSGG激光陶瓷及其制备方法，包括下列步骤：采用高纯Cr2O3、Nd2O3、Gd2O3、Sc2O3及Ga2O3粉体为原料，按照材料的化学计量比进行配料，混合成均匀的硝酸盐溶液，以氨水为沉淀剂，一步注入硝酸盐溶液中，同时进行充分搅拌，然后陈化形成沉淀液；沉淀液经过滤、洗涤、烘干得前驱粉体，在空气气氛中800‑1100℃煅烧，得Cr3+,Nd3+：GSGG纳米粉体；对粉体干压成型后冷等静压，再通过真空烧结，待炉温冷却至室温，取出样品进行打磨、抛光，得Cr3+,Nd3+：GSGG激光陶瓷。本发明与现有该体系单晶比，制备工艺简单，可使材料的综合性能得到提升。

技术研发人员：王树明;叶青
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2017.04.18
技术公布日：2017.07.21