一種圓形長棒狀re:yag雷射透明陶瓷的製備方法

2023-08-09 22:08:06 3

專利名稱：一種圓形長棒狀re:yag雷射透明陶瓷的製備方法
技術領域：
本發明涉及到一種圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷的製備方法，屬於光學陶瓷材 料製備技術領域。
背景技術：
目前，用作固體雷射器中的雷射工作物質的材料主要有晶體、玻璃和陶瓷。雷射透 明陶瓷具有很多單晶和玻璃雷射材料所不具備的優點。同單晶相比，透明陶瓷具有以下優 勢(1)具有與單晶相似的物理化學性質、光譜特性和雷射性能；(2)容易製備出大尺寸的 雷射透明陶瓷，且形狀容易控制；(3)製備周期短，生產成本低；(4)可以實現高濃度摻雜， 光學均勻性好；(5)可製備出多層和多功能的雷射透明陶瓷。同雷射玻璃材料(以釹玻璃 為例)相比，透明陶瓷雷射材料(以Nd:YAG透明陶瓷為例)的熱導率高，有利於熱量的散 發；熔點高，可以承受更高的輻射功率；單色性好；可以實現連續的雷射輸出。1995 $的 Ikesue[A. Ikesue, T. Kinoshita, K. Kamata, et al，Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers, J. Am. Ceram. Soc. , 1995, 78 (4) 1033-1040.]等製備出高透明的 Nd3+: YAG陶瓷，用LD端泵浦首次獲得了雷射輸出。其使用的樣品尺寸為3 X 3 X 3mm3，雷射 最大輸出功率為70mW。為了得到更大的雷射輸出功率，需採用更大尺寸的Nd3+:YAG透明 陶瓷材料。鑑於固體雷射器腔體的形狀和尺寸如圖2所示，[J. Lu, H. Yagi, K. Takaichi, et al, IlOffceramic Nd3+: Y3Al5O12Iaser, Appl. Phys. B，2004，79 :25_28·]，雷射透明陶瓷 樣品需要圓形長棒狀。2002年，神島化學公司和日本電氣通信大學的K. Ueda研究小組 [J. Lu, K. Ueda, H. Yagi, et al, Neodymium doped yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) nanocrystal1ine ceremics-a new generation of solid state laser and optical materials, J. Alloy Comp.，2002，341 -.220-225.] 一起使用 Φ4mmX 105mm 的 Nd3+: YAG 長棒 陶瓷樣品實現了 88W的高效雷射輸出。在德國慕尼黑舉行的關於高功率固體雷射器的CLEO Focus 2001會議上，日本電氣通信大學的Ueda教授指出，採用更大尺寸的Nd3+ = YAG透明陶 瓷材料和更大的泵浦功率，有望獲得IOOkW級的雷射輸出。目前製備圓形長棒雷射透明陶瓷的方法為將複合粉體裝入不鏽鋼模具中幹壓和 等靜壓成大圓片(比如Φ80Χ5πιπι)素坯，燒結完成後在工具機上切割成長棒形狀，最後滾圓 成圓形長棒。而這種方法的缺點是直徑大於50mm的YAG素坯成型時易碎，且由於尺寸過大， 氣孔排除困難導致燒結後樣品透過率偏低，無法作為雷射器工作物質使用。為此，本發明人 擬提供一種將粉體不經過幹壓成型，直接冷等靜壓成圓形長棒狀坯體的方法，這種方法節 省原料粉體、成型過程簡單且燒結後樣品光學質量優異。

發明內容
本發明的目的在於圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷的製備方法。所提供的圓形長 棒RE YAG雷射透明陶瓷適用於高功率固體雷射器中。
一種圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷的製備方法，其特徵在於具體步驟是1)按照(YxREm)3AI5O12的化學配比將初始原料氧化釔粉體(Y2O3)，氧化鋁粉體 (Al2O3)和稀土氧化物粉體(RE2O3)，外加正矽酸乙酯(TEOS) (0. 5 2. Owt % )作為燒結助 劑，與無水乙醇、氧化鋁磨球一起放入球磨罐中進行球磨混合，球磨時間為5h 20h ；2)溼法球磨後的混和漿料在乾燥箱中60V 120°C溫度下乾燥，乾燥後的複合粉 體過100 250目篩；3)將乾燥後的複合粉體量取後裝入一定尺寸的長棒形塑膠袋中，待粉體堆積緊密 後紮緊袋口，並在長棒形塑膠袋下方墜上鋼球(見圖1示意圖)；4)保持長棒形塑膠袋垂直懸掛5h 12h以提高粉體堆積密度和均勻性；5)將墜有鋼球的長棒形塑膠袋掛於冷等靜壓缸體內壁，在壓力為200MPa 300Mpa條件下保壓IOmin 20min ；6)將等靜壓所得長棒狀素坯放入真空燒結爐中，燒結溫度為1500°C 1850°C，保 溫時間為5h 30h，真空度約為5. OX 10_4Pa ；7)真空燒結後的陶瓷長棒在馬弗爐中1400°C 1550°C溫度下退火，填補在真空 燒結過程中形成的氧缺位；8)退火後得到的陶瓷，經過端面拋光和滾圓即得到本發明的圓形長棒RE:YAG激 光透明陶瓷，該類透明陶瓷具有較高光學質量。具體步驟中所使用的長方形塑膠袋的尺寸為Φ (5 20) X (50 200)_ ；鋼球尺 寸不限，重量為粉體的5 10倍；懸掛5h 12h後粉體堆積密度提高10 15%。。本發明提供的圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷的製備方法的特點是1)不用幹壓，直接等靜壓成型棒狀，節省原料，過程簡單。2)製備的圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷具有較高的光學質量，經雷射測試，其散 射損耗<0. OScnT1，適用於實際要求。


圖1.本發明提供的圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷的粉體成型示意圖。
圖2.固體雷射器腔體和LD泵浦示意圖。
圖3.本發明提供的圓形長棒素坯照片。
圖4.實施例1所得樣品實物照片。
圖5.實施例2所得樣品實物照片。
圖6.實施例3所得樣品實物照片。
具體實施例方式通過下面具體實施例進一步說明用本發明提供的方法製備的圓形長棒狀RE:YAG 雷射透明陶瓷。實施例1 取氧化釹(Nd2O3)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)粉體，按照化學式 Nd0.03 Y2^7Al5O12 (lat % Nd: YAG)配比，氧化鋁球為磨球，以無水乙醇為溶劑，加入0. 5襯％正 矽酸乙酯為燒結助劑，一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時間為8h，然後將漿料和磨球分離，
4漿料放入乾燥箱中在80°C烘乾，乾燥後的漿料過篩。量取IOg複合粉體放入Φ5πιπιΧ 145mm 的長條形塑膠袋中，下面墜鋼球50g，垂直懸掛5h後掛於缸體內壁在200MPa下冷等靜壓，保 壓IOmin後得到圓形長棒素坯。在真空燒結爐中於1700士50°C保溫5h，將燒結好的Nd:YAG 圓形長棒陶瓷兩端面磨製、拋光，並滾圓成03mmX64mm其樣品照片見圖4。經雷射測試，其 散射損耗為0. 065cm-1。實施例2 取氧化銩(Tm2O3)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)粉體，按照化學式 Tm0.12:Y2.88Al5012(4at% Tm:YAG)配比，氧化鋁球為磨球，以無水乙醇為溶劑，加入0. 8wt% 正矽酸乙酯為燒結助劑，一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時間為10h，然後將漿料和磨 球分離，漿料放入乾燥箱中在80°C烘乾，乾燥後的漿料過篩。量取20g複合粉體放入 Φ 13. 5mmX 150mm的長條形塑膠袋中，下面墜鋼球120g，垂直懸掛8h後掛於缸體內壁在 250MPa下冷等靜壓，保壓15min後得到圓形長棒素坯。在真空燒結爐中於1750士50°C保溫 20h，燒結好的Tm:YAG圓形長棒陶瓷兩端面磨製、拋光，其樣品照片見圖5。經雷射測試，其 散射損耗為0. 072cm-1。實施例3 取氧化銩(Tm2O3)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)粉體，按照化學式 Tm0.12:Y2.88Al5012(4at% Tm:YAG)配比，氧化鋁球為磨球，以無水乙醇為溶劑，加入1. Owt% 正矽酸乙酯為燒結助劑，一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時間為15h，然後將漿料和磨 球分離，漿料放入乾燥箱中在80°C烘乾，乾燥後的漿料過篩。量取複合粉體35g放入 Φ 19. 5mmX 187mm的長條形塑膠袋中，下面墜鋼球350g，垂直懸掛IOh後掛於缸體內壁在 300MPa下冷等靜壓，保壓20min後得到圓形長棒素坯。在真空燒結爐中於1780士50°C保溫 30h，燒結好的Tm:YAG圓形長棒陶瓷兩端面磨製、拋光，其樣品照片見圖6。經雷射測試，其 散射損耗為0.078cm-1。本發明提供的圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷的製備方法，粉體不需要經過幹壓， 直接等靜壓成型棒狀，節省原料，過程簡單。製備的圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷具有較 高的光學質量，經雷射測試，其散射損耗< 0. OScnT1，適合作為雷射工作物質使用在高功率 固體雷射器中。
權利要求
一種圓形長棒RE:YAG雷射透明陶瓷的製備方法，包括RE:YAG複合粉體的製備、等靜壓成型、真空燒結和退火，其特徵在於將製備的RE:YAG複合粉體，直接裝入長棒形塑膠袋中，在塑膠袋下方墜上鋼球，鋼球重量是粉體的5 10倍。
2.按權利要求1所述的製備方法，其特徵在於具體步驟是a)按照(YxRE(1_x))3A15012的化學配比將初始原料氧化釔粉體，氧化鋁粉體和稀土氧化 物粉體，外加正矽酸乙酯作為燒結助劑，與無水乙醇、氧化鋁磨球一起放入球磨罐中進行球 磨混合；b)將步驟1溼法球磨後的混和漿料在乾燥箱中60V 120°C溫度下乾燥，乾燥後的復 合粉體過篩；c)將步驟2乾燥後的複合粉體裝入的長棒形塑膠袋中，待粉體堆積緊密後紮緊袋口， 並在長棒形塑膠袋下方墜上鋼球；鋼球的質量為粉體的5-10倍，且保持長棒形塑膠袋垂直 懸掛一段時間；d)將墜有鋼球的長棒形塑膠袋掛於冷等靜壓缸體內壁，冷等靜壓的壓力200MPa 300MPa ；e)將等靜壓所得長棒狀素坯放入真空燒結爐中，燒結溫度為1500°C 1850°C，真空度 為 5. OXlCT4Pa ；f)真空燒結後的陶瓷長棒在馬弗爐中1400°C 1550°C溫度下退火，填補在真空燒結 過程中形成的氧缺位；g)退火後得到的陶瓷，經過端面拋光和滾圓即得到本發明的圓形長棒RE:YAG雷射透 明陶瓷。
3.按權利要求2所述的製備方法，其特徵在於所述的稀土氧化物粉體RE2O3中的RE為 Nd、Yb、Er、Ho、Tm、Ce、Tb、Eu、Pr、Sm、Pm 和 Dy 稀土元素中的任意一種。
4.按權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於步驟c中，長棒形塑膠袋的尺寸為 Φ (5 20) X (50 200) mm。
5.按權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於步驟c中，所使用的鋼球尺寸不限， 且懸掛的時間為5h 12h。
6.按權利要求2所述的製備方法，其特徵在於a)步驟b中乾燥後的複合粉體過100-250目篩；b)步驟d中冷靜壓保壓時間為10-20min；c)步驟e中真空燒結時間保溫時間為5-30h。
7.按權利要求2或5所述的製備方法，其特徵在於懸掛鋼球後的粉體堆積密度提高 10-15%。
8.按權利要求2所述的製備方法，其特徵在於步驟g中，長棒狀陶瓷樣品經端面拋光和 滾圓後，所製成的雷射透明陶瓷尺寸為Φ (3 10) X (50 150)mm。
9.按權利要求2所述的製備方法，其特徵在於製備所得的圓形長棒RE:YAG雷射透明陶 瓷的散射損耗<0. OScnT1。
全文摘要
本發明提供了一種圓形長棒狀RE:YAG雷射透明陶瓷的製備方法，包括RE:YAG複合粉體的製備、等靜壓成型、真空燒結和退火，其特徵在於將製備的RE:YAG複合粉體，直接裝入長棒形塑膠袋中，在塑膠袋下方墜上鋼球，鋼球重量是粉體的5-10倍。本發明提供一種將粉體不經過幹壓成型，直接冷等靜壓成圓形長棒狀坯體的方法，具體尺寸為Φ(3-10)×(50-150)mm，提供的製備的方法節省原料粉體、成型過程簡單且燒結後樣品光學質量優異，經雷射測試，散射損耗＜0.08cm-1，適用於實際要求。
文檔編號C04B35/622GK101891477SQ201010234710
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月23日 優先權日2010年7月23日
發明者劉文斌, 姜本學, 張文馨, 潘裕柏, 王亮 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所