CN102659409A - Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇激光透明陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇激光透明陶瓷材料的制备方法 Download PDF

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杨秋红
张浩佳
陆神洲
王永刚
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Abstract

本发明涉及一种可用于中红外2μm波段发光Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇透明陶瓷及其制备方法，属特种陶瓷材料制造工艺领域。其特征在于采用采用国产高纯Ho2O3、Yb2O3、La2O3和Y2O3纳米粉为原料，采用传统陶瓷制备工艺，制定合适的烧结制度，最后在较低温度条件下，采用固相烧结法制备Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇透明陶瓷材料。经试验测定，该陶瓷材料在2μm附近有一个较宽的发射带，这说明Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇透明陶瓷有望成为一种2μm激光工作介质材料。

Description

Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇激光透明陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉Ho3+和Yb3+共掺杂氧化镧钇激光透明陶瓷材料的制备方法，属特种陶瓷制造工艺技术领域。
背景技术
2μm波段位于水的一个吸收峰，大气窗口波段以及人眼安全范围，因此2μm激光在大气遥感、光学通信、激光雷达以及医疗设备等方面具有重要的应用，此外还可以用作中红外3~5μm光学参量振荡器（OPO）的抽运源。在所有的稀土离子中，Tm3+离子的3F4→3H6能级跃迁和Ho3+离子的5I7→5I8能级跃迁是获得2μm发光的主要途径。Ho3+离子具有丰富的能级、大的受激发射截面和长的荧光寿命（8ms），是最具有发展潜力的2μm激光激活离子。但是由于Ho3+离子在800nm和900~1000nm处无吸收带，无法采用常见的商用激光泵浦源，因此采用Yb3+作为敏化离子与Ho3+进行共掺，利用Yb3+离子980nm附近的吸收，并通过Yb3+到Ho3+的能量传递来实现2μm的激光输出。
目前研究比较广泛的Ho3+和Yb3+共掺激光材料主要是稀土离子掺杂的晶体与玻璃材料，激光透明陶瓷具有很多单晶和玻璃所不具备的优点：和单晶相比，透明陶瓷具有掺杂浓度高，掺杂均匀性好，烧结温度低，周期短，成本低，质量可控性强，尺寸大，形状自由度大以及可以实现多层多功能激光器等优点；和玻璃相比，透明陶瓷具有单色性好，结构组成更为理想，热导率高和可承受的辐射功率高等优点。
Y2O3是目前研究较多的一种激光基质材料，氧化钇属立方晶系,无双折射现象,热导率高,是YAG的两倍多,Y2O3晶体是一种优良的固体激光基质材料。 但由于Y2O3的熔点高达2430 ℃,且在2280 ℃附近会发生立方相向六方相的多晶相变,因而难以生长出大尺寸和高光学质量的Y2O3单晶。随着陶瓷制备技术及纳米制粉技术的发展,Y2O3透明陶瓷的烧结温度可降低为1700 ℃左右。通过在Y2O3粉体中添加La2O3粉体，可以加速气孔排除，促进Y2O3陶瓷烧结，进一步降低透明陶瓷的烧结温度并且有效抑制陶瓷晶粒过分长大，因此氧化镧钇透明陶瓷是一种性能优良的激光基质材料。
通过将Ho3+和Yb3+离子共同掺杂到性能优良的氧化镧钇透明陶瓷基质中，利用Yb3+离子吸收泵浦源的能量并通过能量传递机制使Ho3+离子从基态5I8能级跃迁到激发态，最后利用Ho3+离子在5I7→5I8能级上的跃迁，从而获得2μm波长的激光输出。Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇透明陶瓷的最大优势在于能够利用常见的商用泵浦源来进行激发，因此Ho3+和Yb3+共掺的氧化镧钇透明陶瓷可以作为一种2μm激光工作介质材料。
发明内容
本发明的目的在于采用国产高纯Ho2O3、Yb2O3、La2O3和Y2O3纳米粉为原料，采用传统陶瓷制备工艺，制定合适的烧结制度，最后在较低温度条件下，采用固相烧结法制备Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇透明陶瓷材料。
本发明一种掺Ho3+氧化镧钇激光透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于其具有以下的工艺过程和步骤：
a.       采用高纯国产99.99% Ho2O3、99.99%Yb2O3、99.99% La2O3和99.99%Y2O3纳米粉为原料，四者的摩尔配比按化学分子式(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3，式中的x=0.005～0.10，y=0.01~0.20；
b.      将按上述配比称量Ho2O3、Yb2O3、La2O3和Y2O3粉体，放入球磨罐中进行球磨，混合料在酒精介质中球磨5小时，料球比为2:1，酒精粉体质量比为4:1，球磨机转速为50转/min；
c.       将球磨好的粉体在烘箱内烘干，然后将混合粉在马弗炉中进行煅烧，1200℃保温10小时，自然冷却，得到(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3粉体。
d.      再次将粉体放入球磨罐中进行球磨，在酒精介质中球磨5小时，料球比为2:1，酒精粉体质量比为4:1，球磨机转速为50转/min；
e.       将球磨好的粉体在烘箱内烘干，将粉料进行造粒，过40目筛；
f.        将造粒后的粉料干压成型，随后在200MPa冷等静压下压成片状试样；
g.       将上述试样放在钼丝炉中，在常压还原气氛下进行烧结；烧结温度范围为1550～1650℃，烧结时间为40~45小时，最终获得致密的(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3透明陶瓷。
附图说明
图1为本发明Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇激光透明陶瓷的吸收光谱。
图2为本发明Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇激光透明陶瓷的发射光谱。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
本实施例中，制备Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇激光透明陶瓷的具体工艺步骤如下：
a.       采用高纯国产99.99% Ho2O3、99.99%Yb2O3、99.99% La2O3和99.99%Y2O3商业纳米粉为原料，四者的质量配比按照化学分子式(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3，式中的x=0.01，y=0.01；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.01mol，Yb2O3 0.01mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.88mol；
b.      按上述配比称量Ho2O3、Yb2O3、La2O3和Y2O3粉体，放入球磨罐中进行球磨，混合料在酒精介质中球磨5小时，料球比为2:1，酒精粉体质量比为4:1，球磨机转速为50转/min；
c.       将球磨好的粉体放入烘箱，在一定温度下烘干，将混合粉在马弗炉中进行煅烧，1200℃保温10h，自然冷却，得到预烧粉体；
d.      再次将粉体放入球磨罐中进行球磨，在酒精介质中球磨5小时，料球比为2:1，酒精粉体质量比为4:1，球磨机转速为50转/min；
e.       将球磨好的粉体在烘箱内烘干，将粉料进行造粒，过40目筛；
f.        将造粒后的粉料干压成型，随后在200MPa冷等静压下压成片状试样；
g.       将上述试样放在钼丝炉中，在常压还原气氛下进行烧结；烧结温度为1580℃，烧结时间为45小时，最终制备出致密且具有良好光学性能的Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇激光透明陶瓷。
实施例2
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.01，y=0.02；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.01mol，Yb2O3 0.02mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.87mol；烧结温度1600℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.01Yb0.02Y0.87La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例3
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.01，y=0.05；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.01mol，Yb2O3 0.05mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.84mol；烧结温度1630℃，保温时间40h，得到致密的(Ho0.01Yb0.05Y0.84La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例4
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.01，y=0.08；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.01mol，Yb2O3 0.08mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.81mol；烧结温度1630℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.01Yb0.08Y0.81La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例5
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.01，y=0.10；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.01mol，Yb2O3 0.10mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.79mol；烧结温度1600℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.01Yb0.10Y0.79La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例6
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.01，y=0.20；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.01mol，Yb2O3 0.20mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.69mol；烧结温度1600℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.01Yb0.20Y0.69La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例7
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.02，y=0.01；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.02mol，Yb2O3 0.01mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.87mol；烧结温度1630℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.02Yb0.01Y0.87La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例8
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.02，y=0.05；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.02mol，Yb2O3 0.05mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.83mol；烧结温度1630℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.02Yb0.05Y0.83La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例9
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.02，y=0.10；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.02mol，Yb2O3 0.10mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.78mol；烧结温度1580℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.02Yb0.10Y0.78La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例10
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.02，y=0.15；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.02mol，Yb2O3 0.15mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.73mol；烧结温度1630℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.02Yb0.15Y0.73La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例11
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.02，y=0.20；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.02mol，Yb2O3 0.20mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.68mol；烧结温度1600℃，保温时间40h，得到致密的(Ho0.02Yb0.20Y0.68La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例12
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.05，y=0.01；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.05mol，Yb2O3 0.01mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.84mol；烧结温度1600℃，保温时间40h，得到致密的(Ho0.05Yb0.01Y0.84La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例13
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.05，y=0.02；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.05mol，Yb2O3 0.02mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.83mol；烧结温度1600℃，保温时间40h，得到致密的(Ho0.05Yb0.02Y0.83La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例14
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.05，y=0.05；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.05mol，Yb2O3 0.05mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.80mol；烧结温度1580℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.05Yb0.05Y0.80La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例15
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.05，y=0.10；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.05mol，Yb2O3 0.10mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.75mol；烧结温度1580℃，保温时间40h，得到致密的(Ho0.05Yb0.10Y0.75La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例16
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.05，y=0.15；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.05mol，Yb2O3 0.15mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.70mol；烧结温度1630℃，保温时间40h，得到致密的(Ho0.05Yb0.15Y0.70La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例17
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.10，y=0.05；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.10mol，Yb2O3 0.05mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.75mol；烧结温度1630℃，保温时间40h，得到致密的(Ho0.10Yb0.05Y0.75La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例18
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.10，y=0.10；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.10mol，Yb2O3 0.10mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.70mol；烧结温度1600℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.10Yb0.10Y0.70La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例19
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.005，y=0.01；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.005mol，Yb2O3 0.01mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.885mol；烧结温度1600℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.005Yb0.01Y0.885La0.1)2O3透明陶瓷。
实施例20
本实施例的工艺步骤与上述实施例1完全相同，所不同的是(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3式中的x=0.005，y=0.05；各成分的摩尔含量为：Ho2O3 0.005mol，Yb2O3 0.05mol，La2O3 0.10mol，Y2O3 0.845mol；烧结温度1600℃，保温时间45h，得到致密的(Ho0.005Yb0.05Y0.845La0.1)2O3透明陶瓷。
由上述实例制备了致密的(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3透明陶瓷，具有良好的光学性能。本发明的材料制备工艺简单，制造成本低，有利于工业规模化生产。透明陶瓷样品的吸收光谱通过分光光度计(Model V-570, JASCO)检测，如图1所示，可以发现陶瓷样品在980nm（Yb3+离子的吸收带）波长附近有强烈的吸收。透明陶瓷样品的发射光谱通过荧光光谱分析仪(Trix-550, Jobin Yvon Spex, France)检测，采用980nm半导体激光泵浦源，如图2所示，可以发现在2μm附近有一个较宽的发射带，最强发射峰位于2014nm处，Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇透明陶瓷可以作为一种2μm激光工作介质材料。

Claims (1)

1.一种Ho3+和Yb3+共掺氧化镧钇激光透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于其具有以下的工艺过程和步骤：
a.采用高纯国产99.99% Ho2O3、99.99%Yb2O3、99.99% La2O3和99.99%Y2O3纳米粉为原料，四者的摩尔配比按化学分子式(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3，式中的x=0.005～0.10，y=0.01~0.20；
b.按上述配比称量Ho2O3、Yb2O3、La2O3和Y2O3粉体，放入球磨罐中进行球磨，混合料在酒精介质中球磨5小时，料球比为2:1，酒精粉体质量比为4:1，球磨机转速为50转/min；
c.将球磨好的粉体在烘箱内烘干，然后将混合粉在马弗炉中进行煅烧，1200℃保温10小时，自然冷却，得到(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3粉体;
d.再次将粉体放入球磨罐中进行球磨，在酒精介质中球磨5小时，料球比为2:1，酒精粉体质量比为4:1，球磨机转速为50转/min；
e.将球磨好的粉体在烘箱内烘干，将粉料进行造粒，过40目筛；
f.将造粒后的粉料干压成型，随后在200MPa冷等静压下压成片状试样；
g.将上述试样放在钼丝炉中，在常压还原气氛下进行烧结；烧结温度范围为1550～1650℃，烧结时间为40~45小时，最终获得致密的(HoxYbyY0.9-x-yLa0.1)2O3透明陶瓷。
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