專利名稱：摻Y(jié)b³⁺的氧化鑭釔上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明激光陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻Y(jié)b3+的氧化鑭釔上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明陶瓷激光陶瓷的制備方法，屬特種稀土透明激光陶瓷材料的制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景近幾年透明陶瓷Nd:YAG的激光輸出功率和斜效率都達(dá)到或超過(guò)同類單晶的水 平。繼YAG透明陶瓷獲得激光輸出后，納米粉真空燒結(jié)技術(shù)對(duì)制備/^立方晶系倍半 氧化物Re203(Re=Y， Lu, Sc， Gd)透明多晶陶瓷同樣有效。摻NcT或Yb"的ReA透明陶瓷 也先后獲得激光輸出，其中以摻Nd3+或Yb3+的YA透明多晶陶瓷的性能最好。倍半氧 化物1^203為立方晶系，具有良好的熱、化學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能，是一種非常有前景 的固態(tài)激光材料。ReA的熱導(dǎo)率高，聲子能量低，低的聲子能量可以抑制無(wú)輻射躍 遷的幾率，提高輻射躍遷的幾率，從而提高發(fā)光量子效率。其中Y203的熱導(dǎo)率是YAG 的2倍、摻Nd激光玻璃的6倍以及Sr5(P0》3F的10多倍，作為固體激光材料，能夠 同時(shí)獲得大的輸出功率和峰值功率。Yb3+是一種性能非常良好的激活離子，能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有卞7/2和卞5/2兩個(gè)能級(jí)， 其吸收帶在0.9 1.0um波長(zhǎng)范圍，具有寬的吸收帶寬，能與InGaAs半導(dǎo)體抽運(yùn)光源 有效耦合；此外，摻Y(jié)b3+的激光材料不存在激發(fā)態(tài)吸收，熒光效率高，熒光壽命長(zhǎng)。 因此摻Y(jié)b3+的激光材料引起了人們廣泛的興趣。Nakazawa E.和Shionoya S.在研究化學(xué)計(jì)量化合物YbP04中首次觀察到Y(jié)b"離子 對(duì)在藍(lán)綠光波段的合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光行為。上轉(zhuǎn)換發(fā)光本質(zhì)上是一種反Stokes發(fā)光， Yb3+離子對(duì)不是通過(guò)激發(fā)態(tài)吸收的方式實(shí)現(xiàn)合作上轉(zhuǎn)換熒光的，而是由處于激發(fā)態(tài)的 二個(gè)Yb"離子互相耦合同時(shí)退激發(fā)到基態(tài)實(shí)現(xiàn)的，即由Yb (2F5/2) +Yb (2F5/2) —Yb (2F7/2) +Yb (2F7/2) +hv完成Yb"離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光。由于Yb"離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光可 用于開(kāi)發(fā)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)和光快速計(jì)算以及藍(lán)綠光波段激光器件等新型光學(xué)器件，其中藍(lán) 綠光波段激光材料在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、海底通信、大屏幕顯示、半導(dǎo)體檢測(cè)、熒光防 偽、激光醫(yī)療、激光誘導(dǎo)等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景，近年來(lái)Yb3+離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換 在藍(lán)綠光波段的發(fā)光行為引起了人們的興趣，先后在Yb:YAG單晶、Yb:YA單晶(或 陶瓷)、Yb:CsCdBr3單晶、Yb: LiNb03單晶、Yb:Ge02-PbO玻璃等一系列Yb"摻雜的晶體、
玻璃以及陶瓷材料中觀察到Y(jié)b3+離子對(duì)發(fā)光行為。Yb3+離子對(duì)在Yb:YAG晶體中第一次 實(shí)現(xiàn)了 485nm藍(lán)光激光輸出。對(duì)Yb:Re203 (Re=Y, Lu, Sc, Gd)材料而言，基質(zhì)材料中1^3+的半徑越小，則Yb3+ 取代Re3+后，Yb3+離子間的距離就越近，越容易形成Yb3+離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光，如在 Yb:Sc203晶體或陶瓷中易發(fā)生Yb"離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光(S,半徑為74.5pm)。而對(duì) 于Yb:Y203和Yb:Lu203等基質(zhì)材料，Y"離子半徑(89. 3pm)和Lu"離子半徑(86. lpm) 比Sc"離子半徑大，當(dāng)Yb"含量較低時(shí)，Yb:Y20jn Yb:Lu203不易產(chǎn)生離子對(duì)合作上轉(zhuǎn) 換發(fā)光，只有在Yb"含量較高時(shí)(Yb3+》3~5mol%)才容易出現(xiàn)Yt)3+離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換 發(fā)光。而當(dāng)Yb"含量過(guò)高時(shí)(YbW》15 25molM)會(huì)出現(xiàn)濃度猝滅，其對(duì)紅外1. (Tl. 1 u m 波段的發(fā)光不利；研究表明這種濃度猝滅同樣會(huì)使Yb"離子對(duì)在47(T490nm波段的合 作上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度下降，因此單純采用提高Yb"摻雜量來(lái)提高Yb"離子對(duì)發(fā)光強(qiáng)度及 效率是不可行的。氧化鑭釔透明陶瓷，其化學(xué)式為Y2—2xLa2x03(x=0. 01-0. 30)，該組成由于含有La203 化合物，使103透明陶瓷的高溫?zé)岱€(wěn)定性得到改善，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 ￥203基透明陶瓷的低 溫單相燒結(jié)，即當(dāng)x=4-20moiy。時(shí)，燒結(jié)溫度在1750。C-1400。C范圍。而且La"離子半 徑(101.6pm)比Y" (89.3pm)的大，引起Y203晶格常數(shù)增大，摻激活離子Yb"后， 由于Yb"的離子半徑(86.8pm)與Y" (89.3pm)的相近，Yb"主要取代Y"離子的格位， 而一般不會(huì)占據(jù)La"的格位。這樣一方面導(dǎo)致Yb3+離子間的間距變大，不易形成Yb" 離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光；但另一方面隨著La203含量的增加，又使得Yb"占據(jù)丫3+格位 的濃度相對(duì)增大，Yb"易形成Yb3+離子團(tuán)簇，使摻Y(jié)t)3+的氧化鑭釔透明陶瓷出現(xiàn)Yb3+ 離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光，因此摻Y(jié)b3+的氧化鑭釔透明陶瓷，隨著La203含量的變化， 可調(diào)節(jié)成為一種新型的在470 490nm藍(lán)綠光波段的上轉(zhuǎn)換激光材料。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種摻Y(jié)b"的氧化鑭釔丫2-2丄&03上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明激光陶瓷的 制備方法。本發(fā)明又一目的是通過(guò)調(diào)節(jié)La203的含量，改善丫^離子在丫203基單晶和透明陶瓷中Yb3+離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，而使Yb"在Y2-2上32x03系統(tǒng)中隨著xaaA)含量的增加，從而大幅度提高Yb3+離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度；同時(shí)激 活離子Yb3+含量在一定組成范圍內(nèi)增加，Yb3+離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度也得到增加。 本發(fā)明一種摻Y(jié)t)3+的氧化鑭釔上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明陶瓷激光陶瓷的制備方法，其特征 在于具有以下的工藝過(guò)程和步驟 a) 采用市售高純的99. 99%的Y203、 99. 95%的La力3和99. 95%的YbA為原料，或 采用納米粉體為原料，三者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)2-2^La2，Yb2A，式中的 x=0.02-0. 20， y=0. 02-0. 15;b) 將上述配合料加入蒸餾水，放置于球磨機(jī)內(nèi)，進(jìn)行混合研磨，球磨時(shí)間為24 小時(shí)；隨后出料，在150'C溫度下烘干；c) 然后將粉料放置于煅燒爐中于1000 1300。C溫度下預(yù)燒5小時(shí)；再放入球磨 機(jī)中球磨24小時(shí)；d) 經(jīng)150'C溫度烘干后，加入5wt呢的PVA聚乙烯醇粘結(jié)劑進(jìn)行造粒；然后將粉 粒在200MPa的冷等靜壓下壓制成塊片；即為壓坯；e) 然后在800'C溫度下于空氣中燒掉PVA粘結(jié)劑；最后將所述壓制塊片即壓坯 放入鉬絲爐中，在還原氣氛下于1350 1800'C進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為3~30 小時(shí)，最終獲得致密透明的Yb:Y2-2,La2x03(SP Y2-2rfyLa2xYb2,03)上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明 激光陶瓷。本發(fā)明方法最終制得的Yb: Y2-2xLa2ABP Y2-2x-2yLa2xYb2y03)上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明激光 陶瓷，其中的fO. 02~0.20， y=0.02 0. 15。當(dāng)x》0. 12， y》0.05時(shí)，Yb:Y2-2,La2x03(^ Y2-2x-2yLa2lYb2,03)具有合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能。


圖1為本發(fā)明(Yb。.。5Y。.95-,Lai) A透明陶瓷上轉(zhuǎn)換熒光光譜圖具體實(shí)施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。 實(shí)施例1本實(shí)施例的具體工藝過(guò)程和步驟如下1. 采用市售高純的99.99%的丫203、 99.95y。的LaA和99.95先的YbA為原料，三 者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)2-^LaJb2y03為依據(jù)，x=0.04， y=0.05;各成分的摩爾 含量為YbA 0. 05mol， La203 0.04mol， Y203 0.91mol。2. 將上述配合料加入蒸餾水，放置于球磨機(jī)內(nèi)，進(jìn)行混合研磨，球磨時(shí)間為24 小時(shí)，；出料后，在150'C溫度下烘干；3. 然后放置于煅燒爐中于120(TC溫度下預(yù)燒5小時(shí)，隨后粉料再放入球磨機(jī)中 球磨24小時(shí)；4. 經(jīng)150'C溫度烘干后，加入5wt。/。的PVA粘結(jié)劑進(jìn)行造粒；然后將粉粒在200MPa 的冷等靜壓下壓制成塊片； 5. 然后在80(TC溫度下于空氣中燒掉PVA粘結(jié)劑；最后放入鉬絲爐中，在還原 氣氛下于1600'C進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)，最終獲得致密透明的Yb:Y2—2上&03(即Y2-h-2山a2xYb2y03)激光陶瓷。實(shí)施例2本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例1完全相同，所不同的是Ywx-2yLa2xYb2y03式中的x=0.08， y:0.05;各成分的摩爾含量為Yb203 0. 05mol， La203 0. 08mol， Y203 0.87mol;燒結(jié)溫度為1500'C;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的 Yb: Y2—2xLa2A (即Y2-2x—2yLa2xYb2y03)激光陶瓷。 實(shí)施例3本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例1完全相同，所不同的是Y2-2,-2yLaJb2A式中的x=0. 12, y=0.05;各成分的摩爾含量為Yb203 0.05mol， La203 0. 12mol， Y203 0.83mol;燒結(jié)溫度為1400。C;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的 Yb:Y2—2xLa2AUP Y2-2x—2yLa2l!Yb2y03)激光陶瓷。 實(shí)施例4本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例1完全相同，所不同的是Y^-"a2xYb2A式 中的x=0. 16， y二0.05;各成分的摩爾含量為Yb203 0.05mol， La203 0. 16mol， Y203 0.79mol;燒結(jié)溫度為1350°C;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的 Yb :Y2-2xLa2x03 (即Y2—2,-2yLa2lYb2y03)激光陶瓷。 實(shí)施例5本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例1完全相同，所不同的是Y^力La2jb2,03式 中的x=0. 10， y=0. 10;各成分的摩爾含量為Yb203 0. lOmol， La203 0. lOmol， Y203 0.80mol;燒結(jié)溫度為145CTC;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的 Yb: Y2—2xLa2x03 (即Y2—2x—2yLa2xYb2y03)激光陶瓷。對(duì)Y2-2,力La2,Yb2y03透明多晶體作光譜性能檢領(lǐng)！1,其吸收光譜和熒光發(fā)射光譜均顯示出 與Yb:Y203相同的激光光譜性能。同時(shí)本實(shí)施例3、 4的透明陶瓷由于摻入了較高的 La203， Yb"在Y2—2丄^03系統(tǒng)中隨著x (LaA)含量的增加，從而大幅度提高Yt)3+離子 對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度，它們的合作上轉(zhuǎn)換熒光光譜如圖1所示。同時(shí)本實(shí)施例5 中激活離子Yb3+含量在一定組成范圍增加，Yb3+離子對(duì)合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度也得到增 力口?？捎米骱献魃限D(zhuǎn)換470 490nm波段固體激光介質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種摻Y(jié)b3+的氧化鑭釔上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明激光陶瓷的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過(guò)程和步驟a)采用市售高純的99.99％的Y2O3、99.95％的La2O3和99.95％的Yb2O3為原料，或采用納米粉體為原料，三者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)2-2x-2yLa2xYb2yO3，式中的x＝0.02-0.20，y＝0.02-0.15；b)將上述配合料加入蒸餾水，放置于球磨機(jī)內(nèi)，進(jìn)行混合研磨，球磨時(shí)間為24小時(shí)；隨后出料，在150℃溫度下烘干；c)然后將粉料放置于煅燒爐中于1000～1300℃溫度下預(yù)燒5小時(shí)；再放入球磨機(jī)中球磨24小時(shí)；d)經(jīng)150℃溫度烘干后，加入5wt％的PVA聚乙烯醇粘結(jié)劑進(jìn)行造粒；然后將粉粒在200MPa的冷等靜壓下壓制成塊片；即為壓坯；e)然后在800℃溫度下于空氣中燒掉PVA粘結(jié)劑；最后將所述壓制塊片即壓坯放入鉬絲爐中，在還原氣氛下于1350～1800℃進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為3--30小時(shí)，最終獲得致密透明的Yb:Y2-2xLa2xO3(即Y2-2x-2yLa2xYb2yO3)上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明激光陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻Y(jié)b³⁺的氧化鑭釔上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明陶瓷激光陶瓷的制備方法，屬特種稀土透明激光陶瓷材料的制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法采用高純度Y₂O₃、La₂O₃和Yb₂O₃為原料，(也可采用納米粉體為原料)，三者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)_2-2x-2yLa_2xYb_2yO₃為依據(jù)，其中x＝0.02-0.20，y＝0.02-0.15；將上述配制好的配合料加入適量蒸餾水，放置于球磨機(jī)內(nèi)研磨24小時(shí)；隨后干燥；再放置于煅燒爐中于1000～1300℃溫度下預(yù)燒5小時(shí)；再放入球磨機(jī)中球磨24小時(shí)；然后加入5wt％的PVA聚乙烯醇粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，將粉粒在200MPa的冷等靜壓下壓制成壓坯；然后在還原氣氛下于1350～1800℃燒結(jié)3~30小時(shí)，最終獲得摻Y(jié)b³⁺的氧化鑭釔上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明陶瓷激光陶瓷。
文檔編號(hào)C04B35/50GK101148357SQ20071004600
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者軍 徐, 楊秋紅 申請(qǐng)人:上海大學(xué)