CN101891477B - 一种圆形长棒状re:yag激光透明陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的制备方法，包括RE:YAG复合粉体的制备、等静压成型、真空烧结和退火，其特征在于将制备的RE:YAG复合粉体，直接装入长棒形塑料袋中，在塑料袋下方坠上钢球，钢球重量是粉体的5-10倍。本发明提供一种将粉体不经过干压成型，直接冷等静压成圆形长棒状坯体的方法，具体尺寸为Φ(3-10)×(50-150)mm，提供的制备的方法节省原料粉体、成型过程简单且烧结后样品光学质量优异，经激光测试，散射损耗＜0.08cm^-1，适用于实际要求。

Description

一种圆形长棒状RE:YAG激光透明陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及到一种圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的制备方法，属于光学陶瓷材料制备技术领域。

背景技术

目前，用作固体激光器中的激光工作物质的材料主要有晶体、玻璃和陶瓷。激光透明陶瓷具有很多单晶和玻璃激光材料所不具备的优点。同单晶相比，透明陶瓷具有以下优势：(1)具有与单晶相似的物理化学性质、光谱特性和激光性能；(2)容易制备出大尺寸的激光透明陶瓷，且形状容易控制；(3)制备周期短，生产成本低；(4)可以实现高浓度掺杂，光学均匀性好；(5)可制备出多层和多功能的激光透明陶瓷。同激光玻璃材料(以钕玻璃为例)相比，透明陶瓷激光材料(以Nd:YAG透明陶瓷为例)的热导率高，有利于热量的散发；熔点高，可以承受更高的辐射功率；单色性好；可以实现连续的激光输出。

1995年的Ikesue[A.Ikesue，T.Kinoshita，K.Kamata，et al，Fabrication andoptical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics forsolid-state lasers，J.Am.Ceram.Soc.，1995，78(4)：1033-1040.]等制备出高透明的Nd³⁺:YAG陶瓷，用LD端泵浦首次获得了激光输出。其使用的样品尺寸为3×3×3mm³，激光最大输出功率为70mW。为了得到更大的激光输出功率，需采用更大尺寸的Nd³⁺:YAG透明陶瓷材料。鉴于固体激光器腔体的形状和尺寸如图2所示，[J.Lu，H.Yagi，K.Takaichi，et al，110Wceramic Nd³⁺:Y₃Al₅O₁₂laser，Appl.Phys.B，2004，79：25-28.]，激光透明陶瓷样品需要圆形长棒状。2002年，神岛化学公司和日本电气通信大学的K.Ueda研究小组[J.Lu，K.Ueda，H.Yagi，et al，Neodymium doped yttrium aluminum garnet(Y₃Al₅O₁₂)nanocrystallineceremics-a new generation of solid state laser and optical materials，J.AlloyComp.，2002，341：220-225.]一起使用Φ4mm×105mm的Nd³⁺:YAG长棒陶瓷样品实现了88W的高效激光输出。在德国慕尼黑举行的关于高功率固体激光器的CLEO Focus 2001会议上，日本电气通信大学的Ueda教授指出，采用更大尺寸的Nd³⁺:YAG透明陶瓷材料和更大的泵浦功率，有望获得100kW级的激光输出。

目前制备圆形长棒激光透明陶瓷的方法为将复合粉体装入不锈钢模具中干压和等静压成大圆片(比如：Φ80×5mm)素坯，烧结完成后在机床上切割成长棒形状，最后滚圆成圆形长棒。而这种方法的缺点是直径大于50mm的YAG素坯成型时易碎，且由于尺寸过大，气孔排除困难导致烧结后样品透过率偏低，无法作为激光器工作物质使用。为此，本发明人拟提供一种将粉体不经过干压成型，直接冷等静压成圆形长棒状坯体的方法，这种方法节省原料粉体、成型过程简单且烧结后样品光学质量优异。

发明内容

本发明的目的在于圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的制备方法。所提供的圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷适用于高功率固体激光器中。

一种圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的制备方法，其特征在于具体步骤是：

1)按照(Y_XRE_(1-X))₃Al₅O₁₂的化学配比将初始原料氧化钇粉体(Y₂O₃)，氧化铝粉体(Al₂O₃)和稀土氧化物粉体(RE₂O₃)，外加正硅酸乙酯(TEOS)(0.5～2.0wt％)作为烧结助剂，与无水乙醇、氧化铝磨球一起放入球磨罐中进行球磨混合，球磨时间为5h～20h；

2)湿法球磨后的混和浆料在干燥箱中60℃～120℃温度下干燥，干燥后的复合粉体过100～250目筛；

3)将干燥后的复合粉体量取后装入一定尺寸的长棒形塑料袋中，待粉体堆积紧密后扎紧袋口，并在长棒形塑料袋下方坠上钢球(见图1示意图)；

4)保持长棒形塑料袋垂直悬挂5h～12h以提高粉体堆积密度和均匀性；

5)将坠有钢球的长棒形塑料袋挂于冷等静压缸体内壁，在压力为200MPa～300Mpa条件下保压10min～20min；

6)将等静压所得长棒状素坯放入真空烧结炉中，烧结温度为1500℃～1850℃，保温时间为5h～30h，真空度约为5.0×10^-4Pa；

7)真空烧结后的陶瓷长棒在马弗炉中1400℃～1550℃温度下退火，填补在真空烧结过程中形成的氧缺位；

8)退火后得到的陶瓷，经过端面抛光和滚圆即得到本发明的圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷，该类透明陶瓷具有较高光学质量。

具体步骤中所使用的长方形塑料袋的尺寸为Φ(5～20)×(50～200)mm；钢球尺寸不限，重量为粉体的5～10倍；悬挂5h～12h后粉体堆积密度提高10～15％。。

本发明提供的圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的制备方法的特点是：

1)不用干压，直接等静压成型棒状，节省原料，过程简单。

2)制备的圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷具有较高的光学质量，经激光测试，其散射损耗＜0.08cm^-1，适用于实际要求。

附图说明

图1.本发明提供的圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的粉体成型示意图。

图2.固体激光器腔体和LD泵浦示意图。

图3.本发明提供的圆形长棒素坯照片。

图4.实施例1所得样品实物照片。

图5.实施例2所得样品实物照片。

图6.实施例3所得样品实物照片。

具体实施方式

通过下面具体实施例进一步说明用本发明提供的方法制备的圆形长棒状RE:YAG激光透明陶瓷。

实施例1：

取氧化钕(Nd₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化铝(Al₂O₃)粉体，按照化学式Nd_0.03:Y_2.97Al₅O₁₂(1at％Nd:YAG)配比，氧化铝球为磨球，以无水乙醇为溶剂，加入0.5wt％正硅酸乙酯为烧结助剂，一起放入氧化铝罐中球磨，球磨时间为8h，然后将浆料和磨球分离，浆料放入干燥箱中在80℃烘干，干燥后的浆料过筛。量取10g复合粉体放入Φ5mm×145mm的长条形塑料袋中，下面坠钢球50g，垂直悬挂5h后挂于缸体内壁在200MPa下冷等静压，保压10min后得到圆形长棒素坯。在真空烧结炉中于1700±50℃保温5h，将烧结好的Nd:YAG圆形长棒陶瓷两端面磨制、抛光，并滚圆成Φ3mm×64mm其样品照片见图4。经激光测试，其散射损耗为0.065cm^-1。

实施例2：

取氧化铥(Tm₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化铝(Al₂O₃)粉体，按照化学式Tm_0.12:Y_2.88Al₅O₁₂(4at％Tm:YAG)配比，氧化铝球为磨球，以无水乙醇为溶剂，加入0.8wt％正硅酸乙酯为烧结助剂，一起放入氧化铝罐中球磨，球磨时间为10h，然后将浆料和磨球分离，浆料放入干燥箱中在80℃烘干，干燥后的浆料过筛。量取20g复合粉体放入Φ13.5mm×150mm的长条形塑料袋中，下面坠钢球120g，垂直悬挂8h后挂于缸体内壁在250MPa下冷等静压，保压15min后得到圆形长棒素坯。在真空烧结炉中于1750±50℃保温20h，烧结好的Tm:YAG圆形长棒陶瓷两端面磨制、抛光，其样品照片见图5。经激光测试，其散射损耗为0.072cm^-1。

实施例3：

取氧化铥(Tm₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化铝(Al₂O₃)粉体，按照化学式Tm_0.12:Y_2.88Al₅O₁₂(4at％Tm:YAG)配比，氧化铝球为磨球，以无水乙醇为溶剂，加入1.0wt％正硅酸乙酯为烧结助剂，一起放入氧化铝罐中球磨，球磨时间为15h，然后将浆料和磨球分离，浆料放入干燥箱中在80℃烘干，干燥后的浆料过筛。量取复合粉体35g放入Φ19.5mm×187mm的长条形塑料袋中，下面坠钢球350g，垂直悬挂10h后挂于缸体内壁在300MPa下冷等静压，保压20min后得到圆形长棒素坯。在真空烧结炉中于1780±50℃保温30h，烧结好的Tm:YAG圆形长棒陶瓷两端面磨制、抛光，其样品照片见图6。经激光测试，其散射损耗为0.078cm^-1。

本发明提供的圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的制备方法，粉体不需要经过干压，直接等静压成型棒状，节省原料，过程简单。制备的圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷具有较高的光学质量，经激光测试，其散射损耗＜0.08cm^-1，适合作为激光工作物质使用在高功率固体激光器中。

Claims (7)

1.一种圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的制备方法，其特征在于具体步骤是：

a)按照(Y_XRE_(1-X))₃Al₅O₁₂的化学配比将初始原料氧化钇粉体，氧化铝粉体和稀土氧化物粉体，外加正硅酸乙酯作为烧结助剂，与无水乙醇、氧化铝磨球一起放入球磨罐中进行球磨混合；

b)将步骤a)湿法球磨后的混和浆料在干燥箱中60℃～120℃温度下干燥，干燥后的复合粉体过筛；

c)将步骤b)干燥后的复合粉体装入的长棒形塑料袋中，待粉体堆积紧密后扎紧袋口，并在长棒形塑料袋下方坠上钢球；钢球的质量为粉体的5-10倍，且保持长棒形塑料袋垂直悬挂的时间为5h～12h；

d)将坠有钢球的长棒形塑料袋挂于冷等静压缸体内壁，冷等静压的压力200MPa～300MPa；

e)将等静压所得长棒状素坯放入真空烧结炉中，烧结温度为1500℃～1850℃，真空度为5.0×10^-4Pa；

f)真空烧结后的陶瓷长棒在马弗炉中1400℃～1550℃温度下退火，填补在真空烧结过程中形成的氧缺位；

g)退火后得到的陶瓷，经过端面抛光和滚圆即得到圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷。

2.按权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的稀土氧化物粉体RE₂O₃中的RE为Nd、Yb、Er、Ho、Tm、Ce、Tb、Eu、Pr、Sm、Pm和Dy稀土元素中的任意一种。

3.按权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤c中，长棒形塑料袋的尺寸为Φ(5～20)×(50～200)mm。

4.按权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

a)步骤b中干燥后的复合粉体过100-250目筛；

b)步骤d中冷静压保压时间为10-20min；

c)步骤e中真空烧结时间保温时间为5-30h。

5.按权利要求1或4所述的制各方法，其特征在于悬挂钢球后的粉体堆积密度提高10-15％。 

6.按权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤g中，长棒状陶瓷样品经端面抛光和滚圆后，所制成的激光透明陶瓷尺寸为Φ(3～10)×(50～150)mm。

7.按权利要求1所述的制备方法，其特征在于制备所得的圆形长棒RE:YAG激光透明陶瓷的散射损耗＜0.08cm^-1。 

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