3D打印钇铝石榴石基激光陶瓷研究进展

先进固体激光器的发展方向是更高的输出功率和更优异的光束质量。稀土离子掺杂钇铝石榴石透明陶瓷是固体激光增益介质的优选材料,但泵浦过程中的热效应问题劣化光束质量,阻碍了输出功率进一步提升。复杂构型激光陶瓷泵浦时产热和散热更均匀,能够显著降低热效应。相比于传统制备方法,3D打印能够成型更复杂的设计结构,抑制热效应,并实现多模块器件的集成化和小型化,推动激光器走向更广泛的应用。本文首先介绍了复杂构型激光陶瓷的几种传统制备方法,并分析了优点和局限性。然后,系统综述了3D打印制备钇铝石榴石基激光陶瓷的研究现状和存在的问题。3D打印方法包括直接墨水书写、立体光刻、数字光处理、材料喷射打印、双光子聚合和微连续液体界面打印。其中,立体光刻和数字光处理成型的样品中存在层间缺陷,导致严重的散射损耗;材料喷射打印结合干压成型可用于制造平面波导;双光子聚合和微连续液体界面打印适用于在微米尺度上制造高度复杂的结构;直接墨水书写不仅首次实现了激光陶瓷的制备,相关研究也最为广泛,目前是制备复杂构型激光陶瓷最有前景的方法。最后,对3D打印制备钇铝石榴石基激光陶瓷目前存在的问题和研究前景进行了总结。

溶胶-凝胶燃烧法制备Nd:Y_2O_3激光陶瓷纳米粉体

以Y2O3和Nd2O3为原料,采用溶胶-凝胶燃烧法制备出Nd:Y2O3激光陶瓷纳米粉体。XRD测试结果表明粉体的最佳煅烧温度为1000℃,并且晶化完全。原子力显微镜观察结果表明粉体的粒度约为200nm,分布均匀。差热-热重分析表明,柠檬酸在447℃分解放热,而晶型转变温度为590℃,荧光光谱测试表明粉体最强的荧光发射峰位于9421.646cm-1(即波长1061.4nm处),是Nd3+4F3/2-4I11/2谱相导致的荧光发射。

高性能透明激光陶瓷及陶瓷激光器的最新应用进展

激光陶瓷的出现,为固体激光材料向高功率、大尺寸、多功能发展提供了全新的途径,从而为激光技术的发展提供了更加灵活广阔的设计空间。介绍了近年来国际国内透明激光陶瓷及陶瓷激光器发展的最新进展,并展望了陶瓷激光器的未来发展价值。高功率陶瓷激光器方面:中科院上海光学精密机械研究所采用超均匀侧面泵浦技术在1at.%Nd:YAG陶瓷棒中获得输出功率236W,斜率效率62%的连续激光输出。美国利弗莫尔实验室采用Sm3+包边Nd:YAG复合结构陶瓷热容激光器实现了5Hz,67kW激光输出。陶瓷激光器方面,日本World-Labo.Co实验室采用掺杂浓度为15at.%的Yb:YSAG透明陶瓷,获得脉冲宽度280fs,平均输出能量为62mW的锁模脉冲激光输出。陶瓷自调Q脉冲激光器和陶瓷光纤激光器亦有很大进展。陶瓷激光器的开发和应用不仅延伸到传统固体激光器的各个研究领域,并且能够不断突破现有固体激光技术的局限,有望推动未来固体激光工程向更广阔的空间发展。

掺Yb^(3+)氧化镧钇透明激光陶瓷的光谱特性

采用传统陶瓷烧结工艺,在无压还原气氛下低温制备出透明性良好的掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷,测试了其在室温下的吸收光谱、发射光谱和荧光寿命.结果表明,掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷的吸收系数随着Yb3+掺杂浓度的增加而增大,最强吸收峰974 nm处的吸收截面为0.90~1.12×10-20cm2;主发射峰1 032 nm和1 075 nm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1.38 ms,并随Yb3+掺杂浓度的增加而减小;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.

掺Yb^(3+)的氧化镧钇透明激光陶瓷的光谱特性

采用传统陶瓷烧结工艺,在无压还原气氛中低温制备了Yb3+掺杂量高达10％(按摩尔计)的透明性良好的氧化镧钇激光陶瓷,研究了其在室温的吸收光谱、发射光谱以及荧光寿命。结果表明:掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷具有宽的吸收和发射光谱以及长的荧光寿命。吸收峰位于902,942nm 和968 nm处,吸收截面分别为0.31×10-20,0．45×10-20 cm2和0．53×10-20 cm2;主发射峰位于1032nm和1075 nm处,发射截面分别为1．05×10-20 cm2 和0．87×10-20 cm2,上能级荧光寿命分别为1．17ms和1．04ms。掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷大的吸收和发射截面以及长的荧光寿命有利于高效吸收泵浦能量,是一种适合于高效、高功率激光二极管泵浦的固体激光介质。

La2O3对Yb^3＋掺杂的氧化钇透明激光陶瓷性能的影响

本文研究了La2O3的含量对(Yb0.05Y0.95)2O3透明激光陶瓷的结构性能和烧结性能的影响。结果表明:随着La2O3含量的增加,拉曼光谱特征峰发生红移,声子能量降低,半高宽增大,相对强度先增大后减小;同时密度、相对密度和透过率都增大,陶瓷的晶粒减小,而当La2O3含量继续增加时,晶粒基本保持不变。但适量的La2O3掺杂量对(Yb0.05Y0.95)2O3透明激光陶瓷的发射性能影响不大。最合适的La2O3添加量为10at%,最合适的烧结温度为1700℃,最后样品的直线透过率可达到75%。

碳酸盐沉淀法合成Nd^(3+):Y_2O_3激光陶瓷纳米粉体

以Y2O3粗粉、Nd2O3、硝酸和NH4HCO3为原料,通过共沉淀法制备了Nd3+:Y2O3透明激光陶瓷纳米粉体,并采用TG/DTA、XRD、FTIR、TEM以及EDS等测试方法对粉体性能进行了表征。结果表明,在先驱物中添加适量SO42-离子能减轻煅烧得到的Nd3+:Y2O3粉体的团聚,使粉体粒度均匀并呈球形分布。在1100℃煅烧4h所得粉体粒度均匀,粒径在50～70nm之间,具有较好的分散性,适合作为制备透明激光陶瓷的粉体材料。

溶胶-凝胶燃烧法合成Nd:GGG激光陶瓷粉体

采用溶胶-凝胶燃烧法成功合成了Nd:GGG激光陶瓷粉体,讨论了溶胶-凝胶的转化,并对Nd:GGG粉体进行了XRD、TG-DTA、SEM及荧光光谱分析。XRD分析表明1000℃是Nd:GGG粉体合成的最佳温度,并且随着煅烧温度的升高粉体的粒径长大,SEM观察发现在1000℃下粉体粒度均匀,平均粒径为100nm,荧光光谱测试结果表明荧光发射的最强峰位于1061.54nm处,是Nd3+的4F3/24-I11/2谱相导致的荧光发射。

Nd∶Y_3Al_5O_(12)透明激光陶瓷的光学性能

采用固相合成法制备了Nd∶Y3Al5O12(Nd∶YAG)透明激光陶瓷。用V型棱镜法测量了Nd∶YAG陶瓷的折射率。用干涉仪测量了陶瓷的光学均匀性。测试了Nd∶YAG透明陶瓷的透过光谱、吸收光谱和荧光光谱,在1064 nm的直线透过率达到80%以上,并计算其吸收系数、吸收截面和发射截面。根据Judd-Ofelt理论,拟合出晶体场强度参数Ωt(t=2,4,6)为:Ω2=0.32×10-20cm2,Ω4=2.72×10-20cm2,Ω6=5.39×10-20cm2。荧光辐射寿命τrad为248.61μs,计算的荧光分支比β为:β1=34.613%,β2=52.814%,β3=10.697%,β4=0.621%。并将Nd∶YAG陶瓷的吸收光谱、荧光光谱与Nd∶YAG单晶进行了对比。

Er^(3+),Yb^(3+)∶Y_2O_3激光陶瓷粉体制备与性能研究

以Y2O3,Yb2O3和Er2O3为原料,控制溶液的pH值为3~4左右,采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备出Er,Yb∶Y2O3倍半氧化物激光陶瓷前驱粉体。对所得到的粉体进行XRD测试,结果表明最佳煅烧温度为1000℃,并且晶化完全。经过差热-热重分析表明,粉体在1000℃煅烧后不再失重。荧光光谱分析发现,荧光发射的最强峰位于1530 nm处,是Er3+的4I13/2-4I15/2谱相导致的荧光发射。

激光陶瓷的研究进展

随着透明陶瓷制备技术的不断发展,使得部分透明陶瓷成功用作激光放大介质,这为透明陶瓷的应用开辟了新的领域,即用作激光陶瓷。本文对激光陶瓷的研究现状和发展作了综合评述。

碳酸盐共沉淀法制备Er∶YAG透明激光陶瓷粉体

本文用碳酸盐共沉淀法制备出性能良好的透明Er∶YAG陶瓷粉体 ,并应用DTA TG、XRD、SEM、红外光谱等测试手段分析其粉体结构和形貌。结果表明在 10 0 0℃煅烧过程中 ,失重约 4 5 % ,所得到的Er∶YAG粉末结晶性能良好 ,粒度在 15 0～ 2 0 0nm之间。而且经烧结后的陶瓷断面气孔率低 ,多晶晶粒尺寸在 1～ 2 μm之间。 170

国内外透明激光陶瓷的研究现状

透明激光陶瓷是一种具有战略意义的新型激光工作物质。与单晶相比,多晶透明激光陶瓷制备周期短、生产成本低、可以大批量生产,而且易获得大尺寸、掺杂浓度高、光学均匀性好的样品。综述了近年来透明激光陶瓷的研究进展,对透明激光陶瓷的制备技术和透光性的影响因素进行了阐述,并对其应用前景进行了展望。

钇铝石榴石激光陶瓷制备的研究进展

由于钇铝石榴石激光陶瓷具有优异的激光性能,是钇铝石榴石激光晶体理想的替代材料.近年来,钇铝石榴石激光陶瓷的制备研究获得了很大的进展.作者综述了钇铝石榴石激光陶瓷制备的研究进展,着重评述了其粉体的制备技术.

透明激光陶瓷散射损耗分析

为了定量分析激光陶瓷中散射损耗对其透过率的影响,通过建立气孔尺寸分布模型,引入第二相体积比概念,并结合Mie散射、瑞利散射和全散射积分等理论,讨论了激光陶瓷中气孔、晶界第二相和表面粗糙度等引起的散射损耗对激光陶瓷透光性能的影响。研究结果表明:气孔率的大小将明显影响陶瓷透过率,且气孔尺寸分布决定了透过率包络的变化趋势;晶界和表面散射对透过率的影响主要集中在短波长处;在气孔率较低情况下,晶界第二相的存在是导致短波长处透过率急剧降低的主要因素。

激光陶瓷——固体激光工作物质探索的新热点

简要评述了激光陶瓷的研究进展,作为固体激光工作物质,已显示出较目前常用的激光晶体和激光玻璃具有潜在优势。接着分别介绍了激光陶瓷的种类、激光离子、光谱与激光特性和激光陶瓷的制备方法。最后指出,Nd∶YAG激光陶瓷很可能在未来几年会取代Nd∶YAG激光晶体的地位。

中红外激光陶瓷的研究进展与展望

波段为2~5μm的中红外激光在国防、医疗、通信等方面有着特殊的重要应用,而直接产生中红外激光的增益介质主要包括气体激光介质、半导体、稀土离子或者过渡金属离子掺杂的化合物。本文首先介绍应用于中红外波段的发光离子(包括Tm^3+,Ho^3+,Er^3+等稀土离子和Cr^2+,Fe^2+等过渡金属离子)光谱特性,然后重点介绍氧化物(包括石榴石和倍半氧化物)和II-VI族化合物(主要是ZnS/ZnSe)两大类中红外激光陶瓷材料的制备与激光性能。最后,对这两大类中红外激光陶瓷中存在的问题进行了分析,并对其发展方向进行了展望。

Yb∶Y_2O_3激光陶瓷纳米粉体制备及性能研究

以Y2O3和Yb2O3为原料,采用柠檬酸溶胶-凝胶法,控制溶液pH值为3~4,反应温度70~80℃时制备出Yb∶Y2O3激光陶瓷纳米前驱粉体。XRD测试结果表明最佳煅烧温度为800℃,并且晶化完全;差热-热重分析表明,前驱体中柠檬酸和硝酸等在300℃时分解放热。荧光光谱分析发现,荧光发射的最强峰位于1030 nm,对应Yb3＋的2F7/2-2F5/2能级跃迁。

Yb:GGG激光陶瓷的制备与表征

采用碳酸氢铵共沉淀法制备Yb:GGG纳米粉体,并用所制备的纳米粉体进行透明激光陶瓷的烧结。所制备的纳米粉体粒径均匀,颗粒度在80nm左右,活性较高,最佳煅烧温度为900℃及恒温时间为4h。对纳米粉体进行成型、预烧及烧结等处理,通过真空烧结方法制备Yb:GGG透明陶瓷,确定了陶瓷的烧结工艺。借助XRD、荧光光谱和透过率光谱等测试手段对制备的陶瓷材料进行了结构及光学性能的表征。

复合结构激光陶瓷研究进展

多晶激光陶瓷相比单晶激光材料而言,具有可实现大尺寸制备的优势,并可通过结构和功能复合为固体激光器的设计提供最大的可能性和灵活性。复合结构激光陶瓷的制备方法除了采用传统的单晶键合工艺之外,还可以结合陶瓷近净尺寸成型和烧结过程的特点,从而极大地丰富了复合结构激光增益介质的可实现形式。本文综述了复合结构激光陶瓷的典型制备方法,并论述了几类复合结构激光陶瓷的应用与进展,并对复合结构激光陶瓷发展中的问题和发展方向进行了论述。