CN104446430A - 复合激光陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合激光陶瓷及其制备方法，复合激光陶瓷由片状掺铬镥铝石榴石(以下称为Cr:LuAG)陶瓷和片状掺钕镥铝石榴石(以下称为Nd:LuAG)陶瓷上下叠加并用掺钐镥铝石榴石(以下称为Sm:LuAG)陶瓷包边复合构成。本发明的复合激光陶瓷可有效提高泵浦耦合效率及荧光寿命；利用Sm³⁺离子对1064nm波长光的吸收，可有效抑制材料及器件中ASE效应；各部分折射率完全一致、热导率高、结合牢固，与YAG相比，其饱和通量、荧光寿命及其他一些光学性质均有所提高。

Description

复合激光陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光陶瓷材料，特别是一种复合激光陶瓷及其制备方法，更具体地说是一种掺钐镥铝石榴石包边的掺铬镥铝石榴石-掺钕镥铝石榴石复合激光陶瓷及其制备方法。

背景技术

掺钕镥铝石榴石Nd:LuAG陶瓷是非常重要的激光陶瓷材料，Nd³⁺拥有理想的四能级结构，但是吸收光谱很窄。吸收光谱窄导致吸收光谱和泵浦灯的发射波谱重叠少，因此导致泵浦灯的使用和选择严重受限，固体激光器的激光效率也大大受限。通常的泵浦效率只有2～3％，提高泵浦效率是很迫切的！

钕铬双掺钇铝石榴石Nd/Cr:YAG晶体早在1964年就被人们所发现，但是晶体生长比较困难，而且光学缺陷比较多，不容易得到高浓度，大尺寸的材料。而且由于Cr³⁺半径比较大，会转化为Cr⁴⁺，所以在晶体中得到高浓度的掺杂更加不容易。Cr⁴⁺会导致在1064nm处产生光损耗。

而本发明中采用将Nd:LuAG激光陶瓷和Cr:LuAG激光陶瓷进行复合可以解决Nd:LuAG激光陶瓷泵浦效率低的问题。

但是当该复合陶瓷做到大尺寸时，自发辐射严重，ASE效应严重，这些都严重影响到材料的应用！用Sm:LuAG陶瓷对Cr:LuAG-Nd:LuAG复合激光陶瓷材料进行包边的发明大大的减轻了ASE效应！并且可以做出大尺寸的激光工作介质，为高重频大激光能量的输出提供材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合激光陶瓷及其制备方法，更具体地说是一种掺钐镥铝石榴石包边的掺铬镥铝石榴石-掺钕镥铝石榴石复合激光陶瓷及其制备方法。该复合激光陶瓷通过Nd:LuAG激光陶瓷和Cr:LuAG激光陶瓷进行复合克服了Nd:LuAG激光陶瓷吸收带窄的问题，使原来只有808nm和760nm等处的窄吸收变为了在350-740nm的宽吸收，从而提高了激光泵浦的耦合效率；LuAG陶瓷的光学特性要优于YAG，而且饱和通量大于YAG陶瓷，这使得提取能量更加容易；用Sm:LuAG陶瓷对Cr:LuAG-Nd:LuAG激光陶瓷的复合材料及器件进行包边可吸收掉材料自身的横向自发辐射光，以抑制大口径Nd:LuAG-Cr:YAG复合激光陶瓷材料及器件的ASE效应。

本发明的技术解决方案如下：

一种复合激光陶瓷，其特点是由片状掺铬镥铝石榴石(以下称为Cr:LuAG)陶瓷和片状掺钕镥铝石榴石(以下称为Nd:LuAG)陶瓷上下叠加并用掺钐镥铝石榴石(以下称为Sm:LuAG)陶瓷包边复合构成，简称为Sm:LuAG包边的Cr:LuAG-Nd:LuAG复合激光陶瓷，所述的掺钐镥铝石榴石的分子式为Sm_x:Lu_3-xAl₅O₁₂，x的取值范围为:0.01≤x≤0.2，所述的为掺铬镥铝石榴石和掺钕镥铝石榴石的分子式分别为Cr_y:Lu₃Al_5-y O₁₂和Nd_z:Lu_3-zAl₅O₁₂，其中0.01≤y≤0.15，0.01≤z≤0.05。

上述的复合激光陶瓷的制备方法，该方法包括下列步骤：

①选定x、y、z值后，按分子式分别配制Sm:LuAG陶瓷粉体、Cr:LuAG陶瓷粉体和Nd:LuAG陶瓷粉体；

②根据待制备的复合激光陶瓷的大小选择合适尺寸的圆环形模具及环状隔离桶，将配制好的Cr:LuAG陶瓷粉体均匀倒入圆环形模具中央的环状隔离桶中，之后将配制好的Nd:LuAG陶瓷粉体倒入模具中央环状隔离桶Cr:LuAG陶瓷粉体之上，再将配制好的Sm:LuAG陶瓷粉体倒入所述的环状隔离桶与模具外围所构成的环状模具中，之后去掉环状隔离桶，在5MPa干压30秒之后冷等静压210MPa两分钟，构成胚体；

③将所述的胚体放入真空烧结炉中，抽真空至10^-3Pa进行加热，在1600～1850℃下保温5～30h，得到样品；

④将所述的样品放入热等静压炉中，在Ar气氛200MPa下、1700～1800℃下进行热等静压5小时，得到Sm:LuAG包边的Cr:LuAG-Nd:LuAG复合激光陶瓷。

本发明的技术效果：

<1>先前的掺钕激光陶瓷吸收带窄，只在760和808nm左右有吸收，泵浦耦合效率低，而本发明Nd:LuAG-Cr:LuAG复合激光陶瓷吸收带为350到740nm的连续吸收，荧光寿命也由原来的304微秒增长到将近600微秒，泵浦耦合效率得到提高。

<2>先前包边的技术，热稳定性差。本发明与先前的大口径激光陶瓷包边技术相比，本发明包边是由包边材料粉体和增益介质材料粉体一块儿压制成型，具有结合牢固，各种材料之间不易开裂，热稳定性好的特点。

<3>本发明材料一次成型，成品率高，适宜批量生产，能够满足激光技术迅猛发展的市场需求，具有良好的经济效益。

<4>Sm:LuAG激光陶瓷在1064nm处有较强的吸收，能够很好的抑制材料中ASE效应。

附图说明

图1是本发明复合激光陶瓷的结构剖面示意图，

图2是本发明所用模具的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明保护范围。

先请参阅图1、图2，图1是本发明复合激光陶瓷的结构剖面示意图，本发明复合激光陶瓷，由片状掺铬镥铝石榴石(以下称为Cr:LuAG)陶瓷和片状掺钕镥铝石榴石(以下称为Nd:LuAG)陶瓷上下叠加并用掺钐镥铝石榴石(以下称为Sm:LuAG)陶瓷包边复合构成，简称为Sm:LuAG包边的Cr:LuAG-Nd:LuAG复合激光陶瓷，所述的掺钐镥铝石榴石的分子式为Sm_x:Lu_3-xAl₅O₁₂，x的取值范围为:0.01≤x≤0.2，所述的为掺铬镥铝石榴石和掺钕镥铝石榴石的分子式分别为Cr_y:Lu₃Al_5-yO₁₂和Nd_z:Lu_3-zAl₅O₁₂，其中0.01≤y≤0.15，0.01≤z≤0.05。

图2是本发明所用模具的俯视图。中间黑色圆环为隔离桶，外边黑色圆环为模具外壁。

实施例1：

根据所需材料大小，选择或制备合适尺寸的模具以及环状隔离桶，制备的方法如下：

1、按照分子式Sm_x：Lu_3-xAl₅O₁₂、Cr_y:Lu_3-y Al₅ O₁₂、Nd_z:Lu_3-zAl₅O₁₂分别取x＝0.01，y＝0.15，z＝0.05，配制各部分粉体；

2、将配制好的Cr:LuAG陶瓷粉体均匀倒入模具中央环状隔离桶中，之后将配制好的Nd:LuAG陶瓷粉体倒入模具中央环状隔离桶Cr:LuAG陶瓷粉体之上，之后将配制好的Sm:LuAG陶瓷粉体倒入环状隔离桶与模具外围所构成的环状模具中，之后去掉环状隔离桶，5MPa干压30秒之后冷等静压210MPa两分钟进行成型，构成胚体；

3、将所述的胚体放入真空烧结炉中，抽真空至10^-3Pa进行加热，并在1600℃下保温30h，得到样品；

4、将所述样品放入热等静压炉中，在Ar气氛200MPa、1700℃下进行热等静压5h得到Sm:LuAG包边Cr:LuAG-Nd:LuAG复合激光陶瓷。

对其进行抛光，测定吸收带宽，吸收带宽基本为350-740nm的连续吸收，测定荧光寿命为将近600微秒，用一束光打到材料上，可以观察到ASE效应有所抑制。

其余各实施例参数见下表：

实验表明，本发明的复合激光陶瓷可有效提高泵浦耦合效率及荧光寿命；利用Sm³⁺离子对1064nm波长光的吸收，可有效抑制材料及器件中ASE效应；各部分折射率完全一致、热导率高、结合牢固，与YAG相比，其饱和通量、荧光寿命及其他一些光学性质均有所提高。

Claims (2)

1.一种复合激光陶瓷，其特征在于由片状掺铬镥铝石榴石(以下称为Cr:LuAG)陶瓷和片状掺钕镥铝石榴石(以下称为Nd:LuAG)陶瓷上下叠加并用掺钐镥铝石榴石(以下称为Sm:LuAG)陶瓷包边复合构成，简称为Sm:LuAG包边的Cr:LuAG-Nd:LuAG复合激光陶瓷，所述的掺钐镥铝石榴石的分子式为Sm_x:Lu_3-xAl₅O₁₂，x的取值范围为:0.01≤x≤0.2，所述的为掺铬镥铝石榴石和掺钕镥铝石榴石的分子式分别为Cr_y:Lu₃Al_5-yO₁₂和Nd_z:Lu_3-zAl₅O₁₂，其中0.01≤y≤0.15，0.01≤z≤0.05。

2.权利要求1所述的复合激光陶瓷的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①选定x、y、z值后，分别配制Sm:LuAG陶瓷粉体、Cr:LuAG陶瓷粉体和Nd:LuAG陶瓷粉体；

②根据待制备的复合激光陶瓷的大小选择合适尺寸的圆环形模具及环状隔离桶，将配制好的Cr:LuAG陶瓷粉体均匀倒入圆环形模具中央的环状隔离桶中，之后将配制好的Nd:LuAG陶瓷粉体倒入模具中央环状隔离桶Cr:LuAG陶瓷粉体之上，再将配制好的Sm:LuAG陶瓷粉体倒入所述的环状隔离桶与模具外围所构成的环状模具中，之后去掉环状隔离桶，在5MPa干压30秒之后冷等静压210MPa两分钟，构成胚体；

③将所述的胚体放入真空烧结炉中，抽真空至10^-3Pa进行加热，在1600～1850℃下保温5～30h，得到样品；

④将所述的样品放入热等静压炉中，在Ar气氛200MPa下、1700～1800℃下进行热等静压5小时，得到Sm:LuAG包边Cr:LuAG-Nd:LuAG复合激光陶瓷材料。