[发明专利]GGG透明激光陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光陶瓷介质的制备方法，更具体地说是涉及一种先通过磁场成型然后再热压烧结或者真空烧结或者SPS烧结的方式烧结制备GGG透明激光陶瓷的方法。

背景技术

对固态激光器来说，有三种重要的激光介质，即：晶体、玻璃和陶瓷。晶体是目前应用最广泛的固体激光介质，例如，Nd:YAG晶体，但Nd:YAG晶体生长时伴有应力核心问题，使得毛坯的中心部分不能用作激光介质，无法获得大尺寸的激光元件。针对Nd:YAG晶体缺陷，美国利弗莫尔国家实验室尝试将Nd:GGG晶体作为制作大功率固体激光器的工作物质。GGG作为激光基质，其优点在于：(1)GGG晶体容易在平坦固液界面下生长，不存在应力核心，整个截面都能有效利用，由此容易得到可应用于大功率激光器的大尺寸板条GGG，同时，GGG可在较高的拉速下生长出大尺寸、光学均匀性好的晶体；(2)GGG中的Nd³⁺分凝系数为0.52，故Nd³⁺在GGG中易实现高掺杂，有利于提高泵浦效率，在大功率情形下尤其重要，而Nd³⁺在YAG中的分凝系数仅为0.1～0.2，很难得到高掺杂浓度的Nd:YAG；(3)在GGG晶体中，Nd³⁺的激光上能级没有显著的发光淬灭。Nd:GGG具有良好的力学和化学稳定性、高的热导率、宽的泵浦吸收带、长的荧光寿命，泵浦光的吸收和储能性都较好，适合于闪光灯、LD泵浦，可实现连续波和脉冲式激光运转。详见，曾繁明，孙晶，李建利等，Nd:GGG晶体生长与开裂研究，人工晶体学报，2005，34(2)，332-336和王召兵，张庆礼，孙敦陆等，Nd:GGG激光晶体的缺陷研究，量子电子学报，2005，22(4)：574-578。

相对于单晶和玻璃，陶瓷热导率高，抗热冲击能力强，可以掺杂高浓度的激活离子，制备周期短，且可以制备大尺寸、形状较复杂的材料，甚至是多层多功能陶瓷材料，因此成为近年来国内外研究学者备受关注的热点问题。最近，日本采用了新的工艺制造出了散射损耗小、高度透明的多晶陶瓷，并且产生了高效的激光振荡，使得陶瓷激光介质引起了人们的广泛关注。Nd³⁺:Gd₃Ga₅O₁₂(Nd³⁺:GGG)作为激光增益介质，具有较高的热扩散率、较大的辐射截面和较强的断裂应力，详见曾繁明，张莹，孙晶，刘景和，掺钕钆镓石榴石激光晶体光谱分析，光谱和光谱学，2009，29(5)，1323-1326。Nd³⁺:GGG和Nd³⁺:YAG是激光二极管(LD)抽运高功率固体激光器中的理想工作介质。其中，大尺寸Nd³⁺:GGG是固体热容激光器中的工作物质，它可制备出尺寸大、光学均匀性好、效率高、热导热容高的激光工作元件。尽管GGG陶瓷具有诸多优点，但到目前为止，尚未见到GGG陶瓷制备方面的详细报道。

采用常规方法制备GGG透明陶瓷比较困难，这源于晶界相和晶粒本身的折射率相差很大，导致光线大量的折射和散射，从而使得透光性大大地降低；当光线穿过任意取向的两相邻晶粒时，会发生晶界双折射；多晶陶瓷存在着成百上千任意取向的晶粒，多次反复的双折射最终导致透过率的下降。然而，近年来，研究人员在氧化铝中发现，当各个晶粒的光轴相互平行排列时，在理论上晶界双折射可以消除。为了得到定向排列的氧化铝，可以利用在强磁场中氧化铝颗粒会沿着磁场方向排列的特点，制备出了光轴相互平行的透明多晶氧化铝陶瓷，与晶粒无序排列的半透明氧化铝陶瓷相比，光学性能得到了大幅度提高，详见X.J.Mao，S.W.Wang，S.Z.Shimai，and J.K.Guo，Transparent Polycrystalline Alumina Ceramics with OrientatedOptical Axes，J.Am.Ceram.Soc.，2008，91(10)：3431-3433。另外，与在普通压力机上压制粉末相比，电磁压制均匀性较高。电磁不同于不同压制，惯性力起主要作用，不会产生因压制力被模壁的摩擦力所抵消而使制品密度沿压制方向呈梯度分布的状况，脉冲电磁力在粉末尚未压实镦粗前以应力波传到粉末底部，压力传递损失主要取决于粉末材料的波阻，因此沿压制方向密度分布比较均匀，详见兰新武，电磁成型技术在机械加工中的应用，科技创新导报，2009，1：1-2和姜娟，李瑛，朱明原，杨秋平，田野，温压成型工艺制备钕铁硼粘结磁体，有色金属，2008，60(1)：44-47。

发明内容