一种新型的1.54μm波段稀土离子激活氧化钇激光透明陶瓷的制作方法

专利名称：一种新型的1.54μm波段稀土离子激活氧化钇激光透明陶瓷的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光透明陶瓷材料领域。
背景技术：
1.5nm波段激光是对人眼安全的光源，在光通讯、医疗、激光探测和测距
等领域具有广泛的应用。
掺Er"离子的4113/2—4115/2跃迁可以产生 1. 54 u m波段的激射，但是其激光 效率很低，这主要是Er3+离子吸收泵浦源的效率很低引起的，为此，可以共掺 Yb"离子来敏化Er"离子，采用980nm波段的LD激光泵浦源抽运，实现Yb3+ 2F5/2 —Er3+ 4111/2的能量传递，从而提高泵浦效率。由于Er3+离子从泵浦能级4lu/2到激 光上能级4113/2的荧光分支比仅10 20%，所以一般情况下采用高声子能量的材 料作为激光基质材料，可以有利于4111/2到激光上能级4113/2的无辐射跃迁几率， 大幅度提高激光上能级4113/2的粒子布居比例，从而提高激光效率。例如，磷酸 盐玻璃的有效声子效率非常高( 1300cm—"，因此Er掺杂的磷酸盐激光玻璃在 1.54um波段的激光效率达到最高( 35%);然而山东大学采用980nm激光二 极管泵浦Yb:Er:Ca4Y0(B03)3晶体的连续激光运转的效率只有26%;中科院福建 物质结构研究所研制的Yb:Er:YAl3(B03)4准连续激光运转的效率也只有21%。但 是激光输出效率仍然很低(〈40% )，究其原因，主要是高声子能量的基质固然 可以提高Er3+离子从泵浦能级4111/2到激光上能级4113/2的无辐射跃迁几率，但是
同时也不可避免地增加了 Er3+离子激光上能级4113/2到下能级4115/2的无辐射跃迁 几率，从而降低了 1.54um波段的荧光量子效率，例如Yb:Er:Ca4Y0(B03)3 的4113/2能级的辐射寿命为6ms，而荧光寿命仅为1.26ms，即荧光量子效率仅21 %;而Er:YAB的量子效率仅7.0yo。
除了采用高声子能量的基质材料外，还可以采用具有低声子能量的激光基 质材料，通过共掺泵浦能级的去激发离子，把Er3+离子从4ln,2能级上的粒子快速 无辐射地驰豫到4113/2能级。目前已有Eu3+、 Tb3+、 C,等稀土离子己被尝试作为 Er3+离子4ln,2—4113/2的去激发剂。这些离子中Ce3+离子具有明显的优势:它在红外 波段只有％2 、乍7/2两个能级，只与Er3+离子4W2—4113/2跃迁之间发生能量转移， 而不影响其它能级。目前中科院上海光学精密机械研究所的科学家证实了 Eu3+、 Tb"与E,离子共掺，会同时降低E,离子4111/2、 4113/2两个能级的寿命，而共掺 Ce"离子只降低了 E,离子4111/2能级的寿命，基本不影响4113/2能级。
103是一种优秀的激光基质材料，它属于立方晶系，空间群为/ 3晶胞参
数为a = b = c = 10.60 l作为激光基质材料，它具有以下许多优点
1. 高的热导率27 Wm11(—'，对于激光材料的冷却，提高光束质量具有很重 要的意义；
2. 具有较低的声子能量(约为 377cm—0 ，具有很低的无辐射跃迁几率， 从而增加激光量子效率；
3. Y203透明陶瓷具有宽的透光波段0.23Atm-8Mm;
4. 属于同成分熔化和立方晶系，物理性质各向同性，可以制备大尺寸优质
透明陶瓷材料；
5. 具有良好的物化性能，不溶于强酸强碱，硬度高，激光损伤阈值高；
6. 与稀土激活离子Yb203、配203等具有相同的晶体结构，物理性质各向同性， 离子半径相差不大，价电荷一致，因此容易制备大尺寸优质透明陶瓷材 料；
7. 晶场强度很大，掺杂在103基质中的稀土激活离子的基态能级分裂相当 大，这对于像Yb3+等离子来说，有利于形成准四能级激光系统，可以大大 地降低激光阈值；
8. 对于稀土激活离子，在相应泵浦波长处具有较大的吸收截面( 10—19cm2)， 并具有较大的发射截面(10—19 10—18cm2)。
显然地，￥203透明陶瓷是一种优良的激光基质材料，Yb:Er:Ce:Y203也将是一 种新型的、1.54um波段的优质激光透明陶瓷，但是对于采用￥203作为基质材料 的激光透明陶瓷，目前的研究报道很少，特别是对于Yb3+:Er3+:Ce3+掺杂的Y203 激光透明陶瓷，目前国内外都尚未有研究报道。

发明内容
本发明的目的在于公开一种能够实现 1. 54um波段激光输出的激光透明陶 瓷材料丫1)3+化？+^3+^203。
实现本发明目的技术方案 l.一种新型的1.54um波段稀土离子激活氧化钇激光透明陶瓷，该晶体材料的化 学式为Yb:Er:Ce:Y203。
2. —种项1的激光透明陶瓷材料的制备方法，采用Y203、 Er203、 Yb203、 Ce。2超 细微粉，采用溶胶一凝胶/还原气氛烧结的合成方法技术，制备出不同离子掺杂 浓度的Yb":E +:C^+:Y203粉体，通过球磨混合、烧结干燥，在一定温度和真空 条件下保温一段，烧结成致密的Yb3+: Er3+: Ce3+: Y203透明激光陶瓷。
3. —种项1的激光透明陶瓷材料的用途，该材料用于实现1.54um波段激光输 出。
掺Er3+离子的4113/2—4115/2跃迁可以产生 1. 54 u m波段的激射，但是其激光 效率很低，为此，可以共掺Yb"离子来敏化E +离子，采用980nm波段的LD激 光泵浦源抽运，实现Yb3+ 2F5/2 —Er3+ 4111/2的能量传递，从而提高泵浦效率。同 时采用具有低声子能量的激光基质材料，通过共掺泵浦能级的去激发离子，把 Er"离子从4111/2能级上的粒子快速无辐射地驰豫到4113/2能级。目前已经证明共掺 C,离子只降低了 Er3+离子4lu,2能级的寿命，基本不影响4113/2能级。而YA是一 种优良的激光基质材料。由于YA属于各向同性立方晶系和同成分熔化体系， 所以可以制备大尺寸优质透明陶瓷材料，因此Yb:Er:Ce: ￥203透明陶瓷也将是一 种新型的、1.54"m波段的优质激光材料。


附图为激光实验装置。
具体实施例方式
实施例一Yb:Er:Ce:Y203透明陶瓷的制备
用电子天平按照(2-x-y-z) : (x = lat% 30at%) : ( y 二 lat% 50at%) : ( Z =
lat呢 50at。/。)的比例称取适量的Y203、 Er203、 YbA和Ce02原料(4N纯度)，将 Y203、 Er203、 Yb力3和Ce(V混合均匀，溶于物质浓度为5mol/L的硝酸，得到澄清 的无色溶液。
(2-x-y-z)Y203 + xEr203 + yYb203 +2zCe02 - 2Y(2—x—y—z)ErxYbyCez03
将溶液均匀混合，加入去离子水，配制成三价金属阳离子浓度为lmol/L的混合 硝酸溶液，滴定氨水，调节PH值达到2 3.0，加入物质量为金属阳离子2倍的 柠檬酸，降低溶液的氧化性，得到澄清的混合溶液，再滴定氨水，调节PH值达 到6.0，得到溶胶母液。加热到60°C，搅拌母液，直至适当的表观粘度，然后在 60°C的水浴中恒温12h，得到无色的冻胶，然后在烘箱中分别升温至90。C和170°C， 各恒温6h，释放出水汽和二氧化碳，即可得到陶瓷粉体的前驱体。
把以上得到的粉体，加入重量为0.5wt。/。的正硅酸乙脂为烧结剂，采用高纯 的氧化锆球在乙醇中球磨6h，球磨后的粉体经干燥、过筛，最后在钢模中压成 4>20mm的圆柱型胚体，然后在充有还原气氛如氩气的炉子中加热至1700 2000°C烧结12h。然后取出烧结体重新采用高纯的氧化锆球在乙醇中球磨6h， 球磨后的粉体经干燥、过筛，在钢模中压成cl)20nim的圆柱型胚体，再将该胚体 在200MPa的压力下进行冷等静压，烧结采用中频高温炉，真空度>10—3Pa，烧结 后的陶瓷体再在空气中于1800eC保温20h进行退火处理，即可得Yb3+:Er3+:Ce3+: Y203激光透明陶瓷。
实施例二 Yb:Er:Ce:Y203透明陶瓷的激光实验
加工出尺寸为5ramX5mmX5mm的优质Yb^E,:CeW:Y203透明陶瓷器件，采
用980nm波段的LD二极管作为泵浦源，进行激光实验。实验装置如附图所示。 图中1是块状Yb、Er^:C^+:Y203透明陶瓷器件；2是LD 二极管及其电源；3是 对入二 1.54um波段全反射和对980nm波段全透的介质镜；4是对^= 1. 54 u m波段部分透射的介质镜；5是LPE-1A激光能量计。
权利要求
1. 一种新型的1.54um波段稀土离子激活氧化钇激光透明陶瓷，其特征在于该透明陶瓷材料的化学式为Yb:Er:Ce:Y2O3。
2. —种权利要求1的激光透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于采用Y203、 Er203、 Yb203、 Ce02超细微粉，采用溶胶一凝胶/还原气氛烧结的合成方法技术， 制备出不同离子掺杂浓度的Yb3+:Er3+:Ce3+:Y203粉体，通过球磨混合、烧结干燥， 在一定温度和真空条件下保温一段，烧结成致密的Yb3+:E +:Ce3+:Y203透明激光 陶瓷。
3. —种权利要求l的激光透明陶瓷材料的用途，其特征在于该材料用于实现 1.54um波段激光输出。
全文摘要
一种新型的1.54μm波段稀土离子激活氧化钇激光透明陶瓷，涉及激光透明陶瓷材料领域。该透明陶瓷材料的化学式为Yb:Er:Ce:Y₂O₃。采用Y₂O₃、Er₂O₃、Yb₂O₃、CeO₂超细微粉，采用溶胶-凝胶/还原气氛烧结的合成方法技术，制备出不同离子掺杂浓度的Yb³⁺:Er³⁺:Ce³⁺:Y₂O₃粉体，通过球磨混合、烧结干燥，在一定温度和真空条件下保温一段，烧结成致密的Yb³⁺:Er³⁺:Ce³⁺:Y₂O₃透明激光陶瓷。该材料用于实现1.54μm波段激光输出。
文档编号C04B35/50GK101376595SQ20071000944
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者朱昭捷, 李坚富, 涂朝阳, 游振宇, 燕 王 申请人:中国科学院福建物质结构研究所