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透明Nd:YAG激光陶瓷的研究与应用进展

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第22卷第8期 2010年8月 强 激 光 与 粒 子 束 HIGH POWER LASER AND PARTICI E BEAMS Vo1.22,NO.8 Aug.,2010 文章编号:1001—4322(2010)08—1930—05 透明Nd:YAG激光陶瓷的研究与应用进展 唐 杰 , 张 林 , 魏成富 , 杨梨容 , 李晓武 , 廖承志 (1.绵阳师范学院化学系,四川I绵阳621000; 2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘要:综述了近年来,特别是近两年来国内外透明Nd:YAG激光陶瓷的研究与应用情况,重点对我国 的透明Nd:YAG激光陶瓷研究近况进行了分析,指出了透明Nd:YAG激光陶瓷是目前陶瓷研究的热点。提 出了透明Nd:YAG激光陶瓷研究中尚存在的问题和我国在此领域中与国外研究的巨大差距。分析指出:我国 研究透明Nd:YAG激光陶瓷的各个院所之间,应该强强联合,优势互补,对该领域的理论和制备工艺进行更为 深入的研究。 关键词: 陶瓷透明; Nd:YAG; 激光材料 中图分类号:TM282;TQ174 文献标志码:A doi:10.3788/HPLPB20102208.1930 YAG晶体对可见光和红外光有良好的透光性,且熔点高、强度大、热导率高、物理化学性能稳定口]。YAG 中掺Nd的单晶化学性能稳定,可加工性好,是目前应用广泛的固体激光介质。但由于受到杂质分凝系数及尺 寸的限制,输出功率小,发光效率低,从而妨碍了单晶的应用。近年来将Nd:YAG做成透明的多晶陶瓷,逐步 克服了这方面的缺点。透明YAG多晶陶瓷具有易制造、成本低、尺寸大、掺杂原子分数高、热导率高、耐热冲 击性好、可大批量生产、易实现多层和多功能的陶瓷结构等优点,可以作为一种性能优良的激光介质使用,从而 可以弥补单晶作为激光工作物质的不足,是一种性能优良的新型固体激光材料__2 ],在高功率固体激光器件等 方面具有极好的应用前景。目前制备Nd:YAG透明陶瓷主要分为固相反应法和湿化学法两大类。其中,湿化 学法在制备大尺寸、高功率激光透明陶瓷方面,比固相反应法更具有优势。制备Nd:YAG透明陶瓷需要高纯、 超细的前驱体粉末。前驱体粉末制备方法比较多,主要有溶胶一凝胶法 ]、热解法l6]、燃烧法 _81]、沉淀法[9_loJ、 液相混合法 和冷冻干燥法口 等。本文综述了激光Nd:YAG透明陶瓷的研究历程,对近年来的研究进展做 了重点介绍,特别分析了目前我国存在的主要差距,并指出亟待解决的主要问题。 l 国外研究状况 1989年,M.Sekita等人Il。 在G.Dewith等人口 制备出YAG透明陶瓷的基础上,采用均相共沉淀法,以 尿素作为沉淀剂制备出Nd”:YAG前驱体粉末,经冷静压成型和真空烧结出透明Nd什:YAG陶瓷材料,但没 有获得激光输出口引。直到1995年,才由A.Ikesue[1朝等以高纯氧化钇和氧化铝为原料,经等静压成型,采用高 温固相反应方法制备出了高度透明的Nd:YAG陶瓷,这种陶瓷的某些发光性能已优于Cz(提拉)方法制备的 高品质单晶。 多年来,Nd:YAG获得持续发展,性能不断提高。2005年,在美国空军研究实验室的倡导下,达信系统公 司的研究人员研制的Nd:YAG激光器获得了创纪录的5 kW功率输出,持续工作时间达到10 S[1引。目前,凭 借性能良好的透明Nd:YAG激光陶瓷材料,美国已经开发出激光输出功率更高的固体激光器。 此外,材料的制备工艺也有较大的进步。D.Hreniak等 报道了采用低温高压(LTHP)法制备掺Nd(原 子分数4%)的Nd:YAG透明陶瓷,发光性能也比较好。其方法是将高纯的Nd氧化物和Y的氧化物溶于浓 硝酸中,再与A1C1。按相应比例混合,放入适当的乙烯乙二醇中,在9O℃下干燥,直到形成树脂。将树脂在 450℃,8 MPa下烧结16 h即得到了Nd:YAG透明陶瓷,如图1(a)所示。低温高压法由于烧结温度比较低, 对烧结设备要求不高,因而制备比较容易,可望实行大规模生产。Y.Rabinovitch等n 采用冷冻干燥法制备 前驱体粉末,在1 700。C下烧结3 h,获得了透明程度比较高的Nd:YAG陶瓷。试验表明:前驱体粉末在1 000℃ *收稿日期:2009—05—27; 修订日期:2009—12 27 基金项目:绵阳师范学院科研基金项目(MA2009020;MA2009003) 作者简介:唐杰(1972一),男,四川资阳人,博士研究生,讲师,主要从事功能材料研究;tyy2000@yeah.net。 联系作者:张林,研究员;zhlmy@sina.corn。 第8期 唐杰等:透明Nd:YAG激光陶瓷的研究与应用进展 1933 国外目前在这方面进展较大的主要是美国、日本、德国、法国和捷克等,其透明Nd:YAG激光陶瓷的最高 激光输出功率较高。这些国家都纷纷制订出了本国该材料的发展计划。 我国的差距来自多方面,最主要的两个方面:首先就是原材料的问题,透明陶瓷对原材料的纯度要求非常 高,但是我国目前的原材料纯度尚达不到要求;另外一个大的问题就是我国的工艺、制备技术难以达到要求。 因此,我国要在透明Nd:YAG激光陶瓷方面获得较大发展,必须要在材料和工艺方面进行深入的研究。 总之,透明Nd:YAG激光陶瓷目前还有很多的关键问题亟待解决:颗粒粉体与材料的可控制备以及掺杂 的性能调控机理,主要是材料制备与性能调控之间的关系;透明Nd:YAG激光陶瓷的光吸收、散射、反射、传输 规律以及受激发射机制;透明Nd:YAG激光陶瓷的光热损伤与缺陷的关系,等等。对于这些问题的研究既要 材料制备方面的专家,也需要光学方面的专家,还要进行理论计算的专门人才,是一个多学科聚合的交叉领域。 参考文献: [1]马健,苗峰,吴娟,等.YAG透明陶瓷的研究进展[J].西南民族大学学报:自然科学版,2007,33(4):836 840.(Ma Jian,Miao Feng,Wu Juan,et a1.Progress of transparent polycrystalline YAG ceramic.J Southwest University for Nationalities:Natural Science Edition, 2007,33(4):836—840) E23刘景和,朴贤卿,卢利平,等.碳酸盐共沉淀法制备Er:YAG透明激光陶瓷粉体[J].人工晶体学报,2004,33(3):407 410.(Liu Jinghe, Piao Xianqing,Lu Liping,et a1.Preparation of transparent laser ceramics Er:YAG by carbonate co—precipitation method.J Synthetic Crys tals,2004,33(3):407-410) [3]张旭东,刘宏,王继扬,等.掺钕钇铝石榴石陶瓷的制备与性能[J].人工晶体学报,2004,33(3):292—295.(Zhang Xudong,Liu Hong, Wang Jiyang,et a1.Preparation and properties of Nd—doped yttrium aluminum garnet ceramics.J Synthetic Crystals,2004。33(3):292— 295) [4]Gowda G.Synthesis of yttrium aluminates by the sol—gel process[J].J Mater Sci Lett,1986,5(10):1029 1032. 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Key words:transparent ceramic; Nd:YAG;laser materials 

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