纳米粉制备掺Nd3氧化镧钇透明陶瓷工艺及其性能表征

上海大学硕士学位论文纳米粉制备掺Nd'3+氧化镧钇透明陶瓷工艺及其性能表征姓名：胡小曼申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：杨秋红20080301纳米粉制备掺Nd'3+氧化镧钇透明陶瓷工艺及其性能表征作者：胡小曼学位授予单位：上海大学相似文献(2条)1.学位论文豆传国纳米粉体制备Yb'3+掺杂氧化镧钇透明激光陶瓷及其发光性能的研究2008立方相的Y2O3晶体具有稳定性好、光学透明区域宽、热导率高等优点，是一种非常有前景的固体激光材料。然而，其熔点高达2430℃，且在2280℃附近存在相变，因此用常规的方法很难生长出大尺寸、高光学质量的单晶，从而限制了它的应用。近来随着透明陶瓷制备技术的发展，稀土离子掺杂的Y2O3透明激光陶瓷引起了人们的广泛注意。Y2O3透明陶瓷的热导率是YAG的两倍，且热膨胀系数相近，采用纳米技术以后，其烧结温度从2100℃降至1700℃。目前多种稀土离子掺杂的Y2O3透明陶瓷都已经成功实现了激光输出，研究证明Y2O3透明陶瓷是高功率、高效率激光介质的优良基质材料。本文以Yb3+掺杂氧化镧钇透明陶瓷为研究对象，采用商业纳米粉体并结合传统陶瓷制备工艺，在无压还原气氛下制备出透明性良好的掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷，研究了掺Yb3+氧化镧钇透明陶瓷的显微结构、光谱性能以及其激光性能。Yb3+掺杂的氧化镧钇透明陶瓷结构致密，晶界清晰，不存在第二相，随着烧结温度、保温时间和La含量的增加，气孔被逐渐排除，透明陶瓷的透过率显著提高，特别是La含量为10at％，透明陶瓷样品的直线透过率高达81％。在1100℃煅烧的(Yb0.05La0.05Y0.90)2O3纳米粉体的合作上转换发光峰位于498nm处，与文献报道的结果一致，而实验没有测得900℃以下样品的上转换发光，除纳米尺寸效应外，这还与煅烧温度高，结晶度高，发光增强密切相关；此外，同组分透明陶瓷的上转换发光也没有测得，其原因是透明陶瓷晶粒尺寸达到微米级，且掺入La3+离子后，引起Y2O3晶格常数增大，Yb3+离子间的距离变大，难以形成Yb3+离子对发光，这与微米粉制备(Yb0.05LayY0.85-y)2O3透明陶瓷(y=0.04～0.08)的结果一致。但La3+的浓度大于12at％时，合作上转换发光又出现且发光强度随着La3+掺杂浓度的增加而变强；随着Yb3+含量的增加，上转换发光强度先增大而后下降，特别15at％Yb掺杂时，其发光强度明显下降：Yb3+掺杂的氧化镧钇透明陶瓷合作上转换发光峰位于490nm处，与卷积公式计算的有所差异。掺入La3+离子以后，引起(Yb0.05Y0.95-yLay)2O3透明陶瓷吸收截面、发射峰截面略有下降，但其荧光寿命显著提高，这非常有利于提高激光输出功率，波长948nm处的吸收截面与1075nm处的发射截面分别为0.70～0.72×10-20cm2和0.52～0.68×10-20cm2；(Yb0.05La0.05Y0.90)2O3透明陶瓷样品激光性能参数与5at％Yb：YAG晶体相差不大，表明Yb3+掺杂氧化镧钇透明陶瓷是一种良好的激光材料。制备了高光学质量的(Yb0.05La0.10Y0.85)2O3多晶透明陶瓷，采用端面泵浦，当输出镜透过率为9％时，获得了波长为1080nm、最大功率为500mW的连续激光输出，斜率效率13％，首次在国际上实现了掺Yb3+氧化镧钇透明陶瓷的激光输出。2.学位论文张红伟掺Yb'3+氧化镧钇透明激光陶瓷的制备及其光谱性能研究2006立方相的Y2O3晶体具有稳定性好、光学透明区域宽、热导率高等优点，很早以前就被认为是一种非常有前景的固体激光材料。然而，由于其熔点高达2430℃±30℃，且在约2280℃附近存在相变，因此用常规的方法很难生长出大尺寸和高光学质量的单晶，从而限制了它的应用。最近由于透明陶瓷技术的发展，尤其是透明YAG陶瓷在大功率激光输出方面取得成功，使得Yb：Y2O3透明陶瓷激光介质引起了广泛注意。由于Yb：Y2O3透明陶瓷的热导率几乎是YAG的两倍，且热膨胀系数相近，同时其还具有宽的发射带宽，因此，若在透明陶瓷的制备工艺方面取得突破的话，则有望将该类材料应用于高功率激光和高强超短脉冲激光输出领域。本文以Yb：Y2O3透明陶瓷为研究对象，采用传统陶瓷制备工艺，在无压还原气氛下制备出透明性良好的掺La2O3的Yb：Y2O3透明激光陶瓷，研究了烧结温度，保温时间以及Yb2O3、La2O3等添加剂对Y2O3透明陶瓷的显微结构和光学性能的影响；研究了掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷的光谱性能，以及La2O3对Yb：Y2O3透明激光陶瓷光谱性能的影响。结果表明：添加La2O3能显著改善Yb：Y2O3透明陶瓷的烧结性能，La2O3是Yb：Y2O3透明陶瓷的有效添加剂。当La2O3的添加量从0增加到16at.％时，烧结温度从1750℃几乎呈线性降低为1350℃，且光学性能良好，在烧结温度为1350℃，保温时间为30h的条件下，样品Yb0.05：Y2-2χLa2χO3(x=0.16)在300-2500nm波长范围内的全透过率均大于80％，最大值为83％。在短波长范围内，样品的直线透过率较低，主要原因是在目前的制备工艺和烧结条件下，陶瓷材料中仍有一定的结构不均匀性，如存在气孔，杂相以及各种结构缺陷，由于它们的折射率不同于主晶相，引起光的反射和散射，降低陶瓷的光学均匀性，导致材料的透过率下降。在对掺Yb3+氧化镧钇透明陶瓷光谱性能的研究中发现，掺Yb3+氧化镧钇透明多晶陶瓷具有宽的吸收和发射光谱，大的吸收和发射截面以及长的荧光寿命。样品的吸收系数随着Yb3+掺杂浓度的增加而增大，最强吸收峰974nm处的吸收截面为0.90～1.12×10-20cm2主发射峰1032nm和1075nm波长处的发射截面分别为1.05×10-20cm2和0.87×10-20cm2；Yb3+掺杂浓度为5at.％时荧光寿命为1.38ms，并随Yb3+掺杂浓度的增加而下降。当Yb3+掺杂浓度超过10at.％时，样品中存在严重的浓度猝灭。产生浓度猝灭的原因是高掺杂时离子间存在合作上转换和能量转移。根据掺Yb3+氧化镧钇透明陶瓷的吸收光谱和发射光谱计算得到了其在室温下的能级图。结果表明，掺Yb3+氧化镧钇透明多晶陶瓷具有比Yb：YAG晶体更强的晶体场。在强晶体场作用下，掺Yb3+氧化镧钇透明多晶陶瓷具有高的激光下能级以及小的玻尔兹曼因子。在研究La2O3对Yb：Y2O3透明激光陶瓷光谱性能的影响中发现，添加La2O3以后，Yb：Y2O3透明激光陶瓷的吸收截面和发射截面减小，荧光寿命增大。随着La2O3掺杂浓度的增加，Yb：Y2O3透明激光陶瓷的吸收峰位置发生红移现象，吸收系数和吸收截面略有下降；发射峰位置发生蓝移现象，发射截面基本不变；荧光寿命则略有下降。添加La2O3能有效提高Yb：Y2O3透明激光陶瓷45～60％的荧光寿命。因此，掺Yb3+氧化镧钇透明多晶陶瓷是一种很有潜质的激光材料，并有可能获得高功率和高效率的激光输出；本文链接：授权使用：上海海事大学(wflshyxy)，授权号：fd1f8d2e-f8e6-4a67-83a6-9ded015c9f95下载时间：2010年9月10日