一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法

本发明涉及先进陶瓷制备，具体涉及一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法。

背景技术：

1、增益介质是固体激光器的核心，其决定激光输出波长和光转化效率。相对于单晶材料，透明陶瓷作为新一代固体激光增益介质，其仅通过高温烧结原料粉体便能实现材料的致密化，制备温度远低于材料熔点，制备周期仅为1周。同时，陶瓷材料以其多晶态本征特性，易于实现高浓度、均匀化的离子掺杂。透明陶瓷是目前固体激光材料研究的热点和重点，被称作是“最具有开发潜力的激光材料”。

2、增益介质兼具对太阳光的高吸收量和高转换率，是太阳光直接泵浦固体激光器实现高质量激光输出的前提。相对于cr3+，ce3+由于在可见光范围内具有较强的吸收，且能够与nd3+进行有效能量传递，目前已被应用于太阳光泵浦固体激光器增益介质中，但其能量传递并不理想，zhou等人制备了不同nd3+离子掺杂的cr,nd:yag透明陶瓷，其能量传递效率为14.9％、26.0％、36.9％，lupei等人制备了1.0at.％cr,1.0at.％nd:yag透明陶瓷，其能量传递效率为52％，honda等人制备了2.0at.％cr,1.0at.％nd:yag透明陶瓷，其能量传递效率为58％。

3、因此，本领域迫切需要开发出一种既具备高太阳光吸收、高光-光转换效率与强发射的太阳光泵浦用透明陶瓷材料的制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，通过添加srco3与mgo为共烧结助剂，通过破坏nd3+离子周围局部晶体场对称性，打破了nd3+禁止的4f-4f跃迁，有效提高其发射性能，且利用sr2+与mg2+共掺杂取代产生的氧空位电子敏化效应实现ce-nd的高能量传递效率，并大大提升其发射强度。所制备的陶瓷不仅具有高吸收、高转换与强发射的光学性能，并且光学质量优秀，且制备时间短，避免了高压烧结(有利于减小晶粒尺寸)的高能耗及高设备要求。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)浆料配制：按照化学式(cexndym1-x-y)3al5o12中各元素的化学计量比分别称取纯度为99.99％以上的m2o3粉体、α-al2o3粉体、ceo2粉体和nd2o3粉体，称量后置于球磨罐中，加入烧结助剂、分散剂和无水乙醇配制成浆料；式中x为ce3+掺杂m3+的摩尔比，y为nd3+掺杂m3+的摩尔比，0.001≤x≤0.005，0.005≤y≤0.03，m为y、lu中的一种；所述的烧结助剂为srco3与mgo的共烧结助剂，srco3的添加量占原料粉体总质量的0.10-0.30％，srco3与mgo的质量比为10:2-5；

4、(2)球磨及粉体处理：将装有浆料和磨球的球磨罐置于球磨机中，球磨得到混合浆料，将混合浆料干燥后研磨过筛，得到混合粉体；

5、(3)粉体成型：将混合粉体放入模具中干压成型获得素坯，将素坯进行冷等静压成型；将成型后的素坯置于马弗炉中煅烧，自然降温得到陶瓷坯体；

6、(4)烧结与退火：将陶瓷坯体置于真空炉中进行真空烧结，烧结后在马弗炉中进行退火消除氧空位；

7、(5)抛光：将退火后的陶瓷进行抛光处理，得到透明陶瓷。

8、优选的，步骤(1)中，所述分散剂为美国polymer innovations公司的强聚合分散剂ds005，分散剂的添加量为m2o3粉体和α-al2o3粉体质量总和的0.03-0.06％；所述无水乙醇添加量与原料粉体总质量的液固比为3-5ml：3g。

9、优选的，步骤(2)中，球磨转速为180-250r/min，球磨时间为8-15h。

10、优选的，步骤(2)中，干燥温度为60-100℃，干燥时间为8-24h，筛网的目数为80-300目。

11、优选的，步骤(3)中，干压成型压力为20-90mpa，压力保持时间10-50s，冷等静压成型压力为120-300mpa，冷等静压保压时间为5-40min。

12、优选的，步骤(3)中，马弗炉煅烧温度为300-1100℃，煅烧时间为3-15h；自然降温至20-60℃。

13、优选的，步骤(4)中，真空烧结温度为1740 -1800℃，保温时间为6h-20h。

14、优选的，步骤(4)中，退火温度为900-1300℃，保温时间为10h-18h。

15、具备高吸收、高转换与强发射性能是太阳光直接泵浦固体激光器的重要条件，但在传统制备工艺下，透明陶瓷的光转换效率低，其发射性能的提升完全依赖于离子掺杂浓度的提升与优化。但是如果仅依靠优化浓度掺杂，进行高浓度的掺杂，极易造成离子偏析与浓度猝灭，造成增益介质光学质量的下降与荧光猝灭，影响激光性能。

16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

17、(1)本发明所制备的陶瓷具有高太阳光吸收、高光-光转换与强发射的光学性能，光-光转换率可达75％-85％。

18、(2)本发明所制备的太阳光直接泵浦透明陶瓷增益介质打破了传统观念，通过添加sr2+破坏了nd3+离子周围局部晶体场对称性，导致nd3+离子f态的高电子构型，打破了禁止的4f-4f跃迁，有效提高了nd3+离子发射性能；

19、(3)本发明提供的陶瓷制备方法通过sr2+与mg2+共掺杂产生的氧空位不仅捕获电子在ce3+的上能级，因此有更多的电子在ce3+上能级以实现ce-nd的更高能量传递效率；同时氧空位可以捕获nd3+离子的电离态电子，在声子的辅助下，氧空位电离态上的电子弛豫到nd3+的激发态能级，进一步增强了nd3+发射强度，提高其激光发射性能；

20、(4)本发明提供的陶瓷制备方法采用sr2+与mg2+作为共烧结助剂，所制备的陶瓷光学质量优异，透过率高；

21、(5)本发明提供的陶瓷制备方法避免了超高压烧结的高能耗及高设备要求，具有工业化应用前景。

技术特征：

1.一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述分散剂为美国polymer innovations公司的强聚合分散剂ds005，分散剂的添加量为m2o3粉体和α-al2o3粉体质量总和的0.03-0.06％；所述无水乙醇添加量与原料粉体总质量的液固比为3-5ml：3g。

3.根据权利要求1所述的一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，球磨转速为180-250r/min，球磨时间为8-15h。

4.根据权利要求1所述的一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，干燥温度为60-100℃，干燥时间为8-24h，筛网的目数为80-300目。

5.根据权利要求1所述的一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，干压成型压力为20-90mpa，压力保持时间10-50s，冷等静压成型压力为120-300mpa，冷等静压保压时间为5-40min。

6.根据权利要求1所述的一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，马弗炉煅烧温度为300-1100℃，煅烧时间为3-15h；自然降温至20-60℃。

7.根据权利要求1所述的一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，真空烧结温度为1740-1800℃，保温时间为6h-20h。

8.根据权利要求1所述的一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，退火温度为900-1300℃，保温时间为10h-18h。

技术总结
本发明公开了一种太阳光泵浦固体激光器用透明陶瓷的制备方法，添加SrCO<subgt;3</subgt;与MgO为共烧结助剂，利用固相反应法结合真空烧结制备透明陶瓷，其组分满足下式(Ce<subgt;x</subgt;Nd<subgt;y</subgt;M<subgt;1‑x‑y</subgt;)<subgt;3</subgt;Al<subgt;5</subgt;O<subgt;12</subgt;，式中x为Ce<supgt;3+</supgt;掺杂M<supgt;3+</supgt;的摩尔比，y为Nd<supgt;3+</supgt;掺杂M<supgt;3+</supgt;的摩尔比，其中0.001≤x≤0.005，0.005≤y≤0.03，M为Y、Lu中的一种。该方法所制备的陶瓷不仅具有高太阳光吸收、高光‑光转换与强发射的光学性能，光‑光转换率可达75％‑85％，并且光学质量优秀，且制备时间短，避免了高压烧结的高能耗及高设备要求。

技术研发人员：张乐,郑欣雨,许乐乐,周玉环,周天元,周春鸣,李延彬,邵岑,康健,陈浩
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31