專(zhuān)利名稱(chēng)：一種圓形長(zhǎng)棒狀re:yag激光透明陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷的制備方法，屬于光學(xué)陶瓷材 料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，用作固體激光器中的激光工作物質(zhì)的材料主要有晶體、玻璃和陶瓷。激光透 明陶瓷具有很多單晶和玻璃激光材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)。同單晶相比，透明陶瓷具有以下優(yōu) 勢(shì)(1)具有與單晶相似的物理化學(xué)性質(zhì)、光譜特性和激光性能；(2)容易制備出大尺寸的 激光透明陶瓷，且形狀容易控制；(3)制備周期短，生產(chǎn)成本低；(4)可以實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜， 光學(xué)均勻性好；(5)可制備出多層和多功能的激光透明陶瓷。同激光玻璃材料(以釹玻璃 為例)相比，透明陶瓷激光材料(以Nd:YAG透明陶瓷為例)的熱導(dǎo)率高，有利于熱量的散 發(fā)；熔點(diǎn)高，可以承受更高的輻射功率；單色性好；可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的激光輸出。1995 $的 Ikesue[A. Ikesue, T. Kinoshita, K. Kamata, et al，F(xiàn)abrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers, J. Am. Ceram. Soc. , 1995, 78 (4) 1033-1040.]等制備出高透明的 Nd3+: YAG陶瓷，用LD端泵浦首次獲得了激光輸出。其使用的樣品尺寸為3 X 3 X 3mm3，激光 最大輸出功率為70mW。為了得到更大的激光輸出功率，需采用更大尺寸的Nd3+:YAG透明 陶瓷材料。鑒于固體激光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·]，激光透明陶瓷 樣品需要圓形長(zhǎng)棒狀。2002年，神島化學(xué)公司和日本電氣通信大學(xué)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(zhǎng)棒 陶瓷樣品實(shí)現(xiàn)了 88W的高效激光輸出。在德國(guó)慕尼黑舉行的關(guān)于高功率固體激光器的CLEO Focus 2001會(huì)議上，日本電氣通信大學(xué)的Ueda教授指出，采用更大尺寸的Nd3+ = YAG透明陶 瓷材料和更大的泵浦功率，有望獲得IOOkW級(jí)的激光輸出。目前制備圓形長(zhǎng)棒激光透明陶瓷的方法為將復(fù)合粉體裝入不銹鋼模具中干壓和 等靜壓成大圓片(比如Φ80Χ5πιπι)素坯，燒結(jié)完成后在機(jī)床上切割成長(zhǎng)棒形狀，最后滾圓 成圓形長(zhǎng)棒。而這種方法的缺點(diǎn)是直徑大于50mm的YAG素坯成型時(shí)易碎，且由于尺寸過(guò)大， 氣孔排除困難導(dǎo)致燒結(jié)后樣品透過(guò)率偏低，無(wú)法作為激光器工作物質(zhì)使用。為此，本發(fā)明人 擬提供一種將粉體不經(jīng)過(guò)干壓成型，直接冷等靜壓成圓形長(zhǎng)棒狀坯體的方法，這種方法節(jié) 省原料粉體、成型過(guò)程簡(jiǎn)單且燒結(jié)后樣品光學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)異。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷的制備方法。所提供的圓形長(zhǎng) 棒RE YAG激光透明陶瓷適用于高功率固體激光器中。
一種圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于具體步驟是1)按照(YxREm)3AI5O12的化學(xué)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)，外加正硅酸乙酯(TEOS) (0. 5 2. Owt % )作為燒結(jié)助 劑，與無(wú)水乙醇、氧化鋁磨球一起放入球磨罐中進(jìn)行球磨混合，球磨時(shí)間為5h 20h ；2)濕法球磨后的混和漿料在干燥箱中60V 120°C溫度下干燥，干燥后的復(fù)合粉 體過(guò)100 250目篩；3)將干燥后的復(fù)合粉體量取后裝入一定尺寸的長(zhǎng)棒形塑料袋中，待粉體堆積緊密 后扎緊袋口，并在長(zhǎng)棒形塑料袋下方墜上鋼球(見(jiàn)圖1示意圖)；4)保持長(zhǎng)棒形塑料袋垂直懸掛5h 12h以提高粉體堆積密度和均勻性；5)將墜有鋼球的長(zhǎng)棒形塑料袋掛于冷等靜壓缸體內(nèi)壁，在壓力為200MPa 300Mpa條件下保壓IOmin 20min ；6)將等靜壓所得長(zhǎng)棒狀素坯放入真空燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1500°C 1850°C，保 溫時(shí)間為5h 30h，真空度約為5. OX 10_4Pa ；7)真空燒結(jié)后的陶瓷長(zhǎng)棒在馬弗爐中1400°C 1550°C溫度下退火，填補(bǔ)在真空 燒結(jié)過(guò)程中形成的氧缺位；8)退火后得到的陶瓷，經(jīng)過(guò)端面拋光和滾圓即得到本發(fā)明的圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激 光透明陶瓷，該類(lèi)透明陶瓷具有較高光學(xué)質(zhì)量。具體步驟中所使用的長(zhǎng)方形塑料袋的尺寸為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后粉體堆積密度提高10 15%。。本發(fā)明提供的圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷的制備方法的特點(diǎn)是1)不用干壓，直接等靜壓成型棒狀，節(jié)省原料，過(guò)程簡(jiǎn)單。2)制備的圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷具有較高的光學(xué)質(zhì)量，經(jīng)激光測(cè)試，其散 射損耗<0. OScnT1，適用于實(shí)際要求。


圖1.本發(fā)明提供的圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷的粉體成型示意圖。
圖2.固體激光器腔體和LD泵浦示意圖。
圖3.本發(fā)明提供的圓形長(zhǎng)棒素坯照片。
圖4.實(shí)施例1所得樣品實(shí)物照片。
圖5.實(shí)施例2所得樣品實(shí)物照片。
圖6.實(shí)施例3所得樣品實(shí)物照片。
具體實(shí)施例方式通過(guò)下面具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明用本發(fā)明提供的方法制備的圓形長(zhǎng)棒狀RE:YAG 激光透明陶瓷。實(shí)施例1 取氧化釹(Nd2O3)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)粉體，按照化學(xué)式 Nd0.03 Y2^7Al5O12 (lat % Nd: YAG)配比，氧化鋁球?yàn)槟デ?，以無(wú)水乙醇為溶劑，加入0. 5襯％正 硅酸乙酯為燒結(jié)助劑，一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時(shí)間為8h，然后將漿料和磨球分離，
4漿料放入干燥箱中在80°C烘干，干燥后的漿料過(guò)篩。量取IOg復(fù)合粉體放入Φ5πιπιΧ 145mm 的長(zhǎng)條形塑料袋中，下面墜鋼球50g，垂直懸掛5h后掛于缸體內(nèi)壁在200MPa下冷等靜壓，保 壓IOmin后得到圓形長(zhǎng)棒素坯。在真空燒結(jié)爐中于1700士50°C保溫5h，將燒結(jié)好的Nd:YAG 圓形長(zhǎng)棒陶瓷兩端面磨制、拋光，并滾圓成03mmX64mm其樣品照片見(jiàn)圖4。經(jīng)激光測(cè)試，其 散射損耗為0. 065cm-1。實(shí)施例2 取氧化銩(Tm2O3)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)粉體，按照化學(xué)式 Tm0.12:Y2.88Al5012(4at% Tm:YAG)配比，氧化鋁球?yàn)槟デ?，以無(wú)水乙醇為溶劑，加入0. 8wt% 正硅酸乙酯為燒結(jié)助劑，一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時(shí)間為10h，然后將漿料和磨 球分離，漿料放入干燥箱中在80°C烘干，干燥后的漿料過(guò)篩。量取20g復(fù)合粉體放入 Φ 13. 5mmX 150mm的長(zhǎng)條形塑料袋中，下面墜鋼球120g，垂直懸掛8h后掛于缸體內(nèi)壁在 250MPa下冷等靜壓，保壓15min后得到圓形長(zhǎng)棒素坯。在真空燒結(jié)爐中于1750士50°C保溫 20h，燒結(jié)好的Tm:YAG圓形長(zhǎng)棒陶瓷兩端面磨制、拋光，其樣品照片見(jiàn)圖5。經(jīng)激光測(cè)試，其 散射損耗為0. 072cm-1。實(shí)施例3 取氧化銩(Tm2O3)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)粉體，按照化學(xué)式 Tm0.12:Y2.88Al5012(4at% Tm:YAG)配比，氧化鋁球?yàn)槟デ颍詿o(wú)水乙醇為溶劑，加入1. Owt% 正硅酸乙酯為燒結(jié)助劑，一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時(shí)間為15h，然后將漿料和磨 球分離，漿料放入干燥箱中在80°C烘干，干燥后的漿料過(guò)篩。量取復(fù)合粉體35g放入 Φ 19. 5mmX 187mm的長(zhǎng)條形塑料袋中，下面墜鋼球350g，垂直懸掛IOh后掛于缸體內(nèi)壁在 300MPa下冷等靜壓，保壓20min后得到圓形長(zhǎng)棒素坯。在真空燒結(jié)爐中于1780士50°C保溫 30h，燒結(jié)好的Tm:YAG圓形長(zhǎng)棒陶瓷兩端面磨制、拋光，其樣品照片見(jiàn)圖6。經(jīng)激光測(cè)試，其 散射損耗為0.078cm-1。本發(fā)明提供的圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷的制備方法，粉體不需要經(jīng)過(guò)干壓， 直接等靜壓成型棒狀，節(jié)省原料，過(guò)程簡(jiǎn)單。制備的圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷具有較 高的光學(xué)質(zhì)量，經(jīng)激光測(cè)試，其散射損耗< 0. OScnT1，適合作為激光工作物質(zhì)使用在高功率 固體激光器中。
權(quán)利要求
一種圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶瓷的制備方法，包括RE:YAG復(fù)合粉體的制備、等靜壓成型、真空燒結(jié)和退火，其特征在于將制備的RE:YAG復(fù)合粉體，直接裝入長(zhǎng)棒形塑料袋中，在塑料袋下方墜上鋼球，鋼球重量是粉體的5 10倍。
2.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于具體步驟是a)按照(YxRE(1_x))3A15012的化學(xué)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，外加正硅酸乙酯作為燒結(jié)助劑，與無(wú)水乙醇、氧化鋁磨球一起放入球磨罐中進(jìn)行球 磨混合；b)將步驟1濕法球磨后的混和漿料在干燥箱中60V 120°C溫度下干燥，干燥后的復(fù) 合粉體過(guò)篩；c)將步驟2干燥后的復(fù)合粉體裝入的長(zhǎng)棒形塑料袋中，待粉體堆積緊密后扎緊袋口， 并在長(zhǎng)棒形塑料袋下方墜上鋼球；鋼球的質(zhì)量為粉體的5-10倍，且保持長(zhǎng)棒形塑料袋垂直 懸掛一段時(shí)間；d)將墜有鋼球的長(zhǎng)棒形塑料袋掛于冷等靜壓缸體內(nèi)壁，冷等靜壓的壓力200MPa 300MPa ；e)將等靜壓所得長(zhǎng)棒狀素坯放入真空燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1500°C 1850°C，真空度 為 5. OXlCT4Pa ；f)真空燒結(jié)后的陶瓷長(zhǎng)棒在馬弗爐中1400°C 1550°C溫度下退火，填補(bǔ)在真空燒結(jié) 過(guò)程中形成的氧缺位；g)退火后得到的陶瓷，經(jīng)過(guò)端面拋光和滾圓即得到本發(fā)明的圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透 明陶瓷。
3.按權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于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(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于步驟c中，長(zhǎng)棒形塑料袋的尺寸為 Φ (5 20) X (50 200) mm。
5.按權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于步驟c中，所使用的鋼球尺寸不限， 且懸掛的時(shí)間為5h 12h。
6.按權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于a)步驟b中干燥后的復(fù)合粉體過(guò)100-250目篩；b)步驟d中冷靜壓保壓時(shí)間為10-20min；c)步驟e中真空燒結(jié)時(shí)間保溫時(shí)間為5-30h。
7.按權(quán)利要求2或5所述的制備方法，其特征在于懸掛鋼球后的粉體堆積密度提高 10-15%。
8.按權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟g中，長(zhǎng)棒狀陶瓷樣品經(jīng)端面拋光和 滾圓后，所制成的激光透明陶瓷尺寸為Φ (3 10) X (50 150)mm。
9.按權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于制備所得的圓形長(zhǎng)棒RE:YAG激光透明陶 瓷的散射損耗<0. OScnT1。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圓形長(zhǎng)棒狀RE:YAG激光透明陶瓷的制備方法，包括RE:YAG復(fù)合粉體的制備、等靜壓成型、真空燒結(jié)和退火，其特征在于將制備的RE:YAG復(fù)合粉體，直接裝入長(zhǎng)棒形塑料袋中，在塑料袋下方墜上鋼球，鋼球重量是粉體的5-10倍。本發(fā)明提供一種將粉體不經(jīng)過(guò)干壓成型，直接冷等靜壓成圓形長(zhǎng)棒狀坯體的方法，具體尺寸為Φ(3-10)×(50-150)mm，提供的制備的方法節(jié)省原料粉體、成型過(guò)程簡(jiǎn)單且燒結(jié)后樣品光學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)異，經(jīng)激光測(cè)試，散射損耗＜0.08cm-1，適用于實(shí)際要求。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101891477SQ201010234710
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者劉文斌, 姜本學(xué), 張文馨, 潘裕柏, 王亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所