本發(fā)明涉及一種cr³⁺,nd³⁺復(fù)合摻雜gsgg激光陶瓷及其制備方法，特別涉及一步共沉淀法制備cr³⁺,nd³⁺：gsgg納米粉體，屬于激光陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光技術(shù)的一個重要發(fā)展方向是高平均功率、高峰值功率的固體激光器。固體激光器的固體激光介質(zhì)材料已從最初幾種晶體發(fā)展到涵蓋晶體、玻璃、陶瓷等三大領(lǐng)域的上百種材料。激光陶瓷的出現(xiàn)，為固體激光材料向高功率、大尺寸、多功能發(fā)展提供了全新的途徑。晶體與激光陶瓷相比，生長周期長，制備成本較高，制備過程較為復(fù)雜，且摻雜濃度受限，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，因多晶陶瓷不失為單晶的強(qiáng)有力的替代者。相對于玻璃來說，陶瓷的熱導(dǎo)率更大，硬度大，振蕩閾值低，有利于激光性能的提升。因此激光陶瓷有著晶體和玻璃無法比擬的特性。

石榴石晶體是在探索新晶體中至今所獲得的綜合性能最優(yōu)良的激光基質(zhì)晶體，屬于立方晶系，是十二面體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的yag相比，對于含sc的石榴石，sc取代al離子會增大十二面體晶格位置間距離，使得激活離子更易進(jìn)入十二面體。在光學(xué)陶瓷中，稀土元素能夠產(chǎn)生激光，因此稀土離子常被用作激光工作物質(zhì)的激活離子。nd³⁺摻雜的激光陶瓷材料具有理想的四能級系統(tǒng)，具有閾值低、量子效率高、受激輻射面大，易實(shí)現(xiàn)激光振蕩。但是單摻nd³⁺也有不足之處，容易產(chǎn)生畸變。早期粉體制備是通過固相反應(yīng)法，即通過各粉體間球磨混合均勻，再通過高溫長時間固相反應(yīng)形成。該方法所得到的粉體顆粒尺寸大且粒徑分布寬，燒結(jié)活性較差。

為克服以上缺點(diǎn)，本發(fā)明擬考慮再摻雜一種離子來減小畸變。不單是稀土離子，過渡金屬離子也可作為激活離子。cr³⁺的熒光發(fā)射帶與nd³⁺的吸收帶有重疊，可作nd³⁺的熒光敏化劑。同時過渡金屬離子可作為激活離子cr³⁺具有很高的八面體擇位能，因此cr³⁺將盡可能處于八面體配位場，并且nd³⁺的有效泵浦帶可被cr³⁺的額外吸收帶所拓寬，能夠增強(qiáng)發(fā)光。本發(fā)明擬采用一步共沉淀法制備出有利于后期激光陶瓷的燒結(jié)的納米粉體，其優(yōu)點(diǎn)在于成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的yag相比，gsgg可高濃度摻雜，熱性能和機(jī)械性能優(yōu)良,物理化學(xué)特性性能穩(wěn)定，有利于提高泵浦效率和輸出光束質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高性能cr³⁺,nd³⁺復(fù)合摻雜gsgg激光陶瓷的制備方法，使用本發(fā)明提供的制備方法可以合成顆粒尺寸細(xì)小，燒結(jié)活性高的粉體，且制備的激光陶瓷光學(xué)性能優(yōu)異。

一種高性能cr³⁺,nd³⁺復(fù)合摻雜gsgg激光陶瓷的制備方法，其特征在于包括下列步驟：

1)采用高純cr2o3、nd2o3、gd2o3、sc2o3及ga2o3粉為原料，按照材料的化學(xué)計量比進(jìn)行配料，并加入硝酸，配成硝酸鹽溶液，以氨水為沉淀劑，一步注入硝酸鹽溶液中，同時進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，然后陳化形成沉淀液?/p>

2)沉淀液經(jīng)過濾、洗滌、烘干得前驅(qū)粉體，在空氣氣氛中800-1100℃煅燒，得cr³⁺,nd³⁺：gsgg納米粉體；

3)對粉體干壓成型后冷等靜壓，再通過真空燒結(jié)，待爐溫冷卻至室溫，取出樣品進(jìn)行打磨、拋光，得cr³⁺,nd³⁺：gsgg激光陶瓷。

其中：步驟(1)中所述cr2o3、nd2o3、gd2o3、sc2o3及ga2o3為重量比含量99.99％高純粉體，以gd2o3、sc2o3及ga2o3為基體材料，摩爾比為3：2：3，以cr2o3、nd2o3為摻雜材料，摻雜材料摻雜量以原子比為計為：cr2o30-2，nd2o30-2；配成的硝酸鹽溶液濃度為5mol/l，一步注入氨水后，調(diào)節(jié)溶液的ph為8-10。

步驟(2)中所述沉淀在100℃烘干24h。

步驟(3)中所述干壓成型壓力為100-200mpa，冷等靜壓成型壓力為200mpa；真空燒結(jié)溫度為1500-1700℃，保溫時間20-25h，最終獲得cr³⁺,nd³⁺：gsgg激光陶瓷。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明原料為高純cr2o3、nd2o3、gd2o3、sc2o3及ga2o3粉，采用一步共沉淀法制備cr³⁺與nd³⁺復(fù)合摻雜gsgg激光陶瓷，摻雜濃度高且摻雜均勻性好，相比于該體系單晶，制備工藝簡單，所制備的陶瓷材料組織致密。該陶瓷具有較寬的熒光譜線，較強(qiáng)的發(fā)光性能，有利于實(shí)現(xiàn)短脈沖激光輸出。

附圖說明

圖1中(a)、(b)和(c)分別為實(shí)施例1、2和4制備的cr³⁺與nd³⁺復(fù)合摻雜gsgg激光陶瓷粉體的sem照片

圖2(a)、(b)和(c)分別為實(shí)施例3、4和5制備的cr³⁺與nd³⁺復(fù)合摻雜gsgg激光陶瓷粉體的發(fā)射光譜圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

1)將重量比含量99.99％的高純gd2o3、sc2o3及ga2o3粉按照摩爾比3:2:3溶于稀硝酸中，cr2o3、nd2o3粉分別按照0at.％、0at.％溶于稀硝酸，然后混合成均勻的5mol/l硝酸鹽溶液。

2)以氨水為沉淀劑，一步注入上述混合溶液中，同時進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，調(diào)節(jié)溶液的ph為8-10，然后在室溫陳化8h。

3)陳化后，采用去離子水和無水乙醇對沉淀物進(jìn)行過濾、洗滌，洗滌好的沉淀物在干燥箱中100℃干燥24h，干燥后的粉體經(jīng)過研磨在空氣氣氛中1000℃煅燒4h。

4)煅燒后的粉體先干壓成型，壓力為200mpa，再冷等靜壓成型，壓力為200mpa。

5)素坯在1650℃真空燒結(jié)，保溫時間25h，然后冷卻至室溫。

實(shí)施例2

采用實(shí)施例1相同工藝，只是將cr2o3、nd2o3粉分別按照0at.％、1at.％溶于稀硝酸，其余條件均同實(shí)施例1，同樣能得到激光陶瓷。

實(shí)施例3

采用實(shí)施例1相同工藝，只是將cr2o3、nd2o3粉分別按照0.5at.％、1at.％溶于稀硝酸，其余條件均同實(shí)施例1，同樣能得到激光陶瓷。

實(shí)施例4

采用實(shí)施例1相同工藝，只是將cr2o3、nd2o3粉分別按照1at.％、1at.％溶于稀硝酸，其余條件均同實(shí)施例1，同樣能得到激光陶瓷。

實(shí)施例5

采用實(shí)施例1相同工藝，只是將cr2o3、nd2o3粉分別按照2at.％、1at.％溶于稀硝酸，其余條件均同實(shí)施例1，同樣能得到激光陶瓷。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高性能Cr3+,Nd3+復(fù)合摻雜GSGG激光陶瓷及其制備方法，包括下列步驟：采用高純Cr2O3、Nd2O3、Gd2O3、Sc2O3及Ga2O3粉體為原料，按照材料的化學(xué)計量比進(jìn)行配料，混合成均勻的硝酸鹽溶液，以氨水為沉淀劑，一步注入硝酸鹽溶液中，同時進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，然后陳化形成沉淀液；沉淀液?jīng)過濾、洗滌、烘干得前驅(qū)粉體，在空氣氣氛中800?1100℃煅燒，得Cr3+,Nd3+：GSGG納米粉體；對粉體干壓成型后冷等靜壓，再通過真空燒結(jié)，待爐溫冷卻至室溫，取出樣品進(jìn)行打磨、拋光，得Cr3+,Nd3+：GSGG激光陶瓷。本發(fā)明與現(xiàn)有該體系單晶比，制備工藝簡單，可使材料的綜合性能得到提升。

技術(shù)研發(fā)人員：王樹明;葉青
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.18
技術(shù)公布日：2017.07.21