專利名稱：鉺摻雜的含鈧石榴石Er³⁺:A₃Sc₂B₃O₁₂激光透明陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能陶瓷材料領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種鉺摻雜的含鈧石榴石 Er3+: A3Sc2B3O12 [A = Gd、Y ;B = Ga、Al]激光透明陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
1964年，Carnall E等采用熱壓真空燒結(jié)首次合成出摻鏑的氟化鈣(Dy2+ = CaF2) 透明陶瓷，并實(shí)現(xiàn)了激光振蕩，從而揭開了透明激光陶瓷研究的序幕，但當(dāng)時(shí)由于激光陶瓷 的激光性能遠(yuǎn)不及晶體及玻璃，從而未能引起重視。自1995年日本科學(xué)家制備出高透明 的Nd:YAG陶瓷，并實(shí)現(xiàn)可以與晶體媲美的激光輸出后，激光透明陶瓷正向綜合性能最優(yōu)良 的Nd:YAG激光單晶發(fā)起強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。目前，美國(guó)利夫莫爾實(shí)驗(yàn)室已用日本提供的5塊 IOOmmX IOOmmX 20mm的Nd: YAG透明陶瓷實(shí)現(xiàn)了 67KW的激光輸出。Er3+離子的4111/2 — 4I1372躍遷，在不同的基質(zhì)中可產(chǎn)生2. 7_3μπι波段的激光，這 個(gè)波段在國(guó)防軍事中有著重要的應(yīng)用。同時(shí)該波段與水的強(qiáng)吸收峰位置重疊，因而較之 10.6μπι更易被水、Ca、P等所吸收，可廣泛應(yīng)用于軟組織及骨的切開、切除手術(shù)，還可以取 代高速渦輪牙鉆，實(shí)施對(duì)牙體硬組織的切割等。最近的研究表明，2. 7 μ m激光在石英光纖中 傳輸損耗小，且對(duì)人體組織損傷也較小因而在醫(yī)療中有更廣闊的應(yīng)用前景(A. H0gele, et al，OpticsCommunication, 125 (1996) 90)。另外，用2. 7-3 μ m的激光進(jìn)行光參量振蕩，可以 把激光波長(zhǎng)拓展到3 19 μ m中遠(yuǎn)紅外波段，可用于光電對(duì)抗(干擾)、紅外照明、激光雷 達(dá)、自由空間通信、化學(xué)和生物戰(zhàn)劑的探測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)以及反恐等領(lǐng)域。目前在Er:YSGG、Cr，Er:YSGG及Er:GSGG激光晶體中已獲得了 2. 79 μ m的激光輸 出。然而這些晶體需采用提拉法生長(zhǎng)，其過(guò)程十分復(fù)雜，要求條件苛刻，但制備陶瓷與生長(zhǎng) 單晶相比，具有成本低，尺寸大，可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜等優(yōu)點(diǎn)，另外具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，因此 可以大大提高激光輸出功率。據(jù)檢索，目前國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有關(guān)于Er3+:AJc2B3012[A = Gd、Y ； B = Ga,Al]激光透明陶瓷的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開了 一種能夠在的目的在2. 7-3 μ m實(shí)現(xiàn)激光輸出的 Er3+:A3Sc2B3O12 [A = Gd，Y ;B = Ga, Al]透明激光陶瓷及其制備方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案高效中紅外激光透明陶瓷Er A3Sc2B3O12，所述陶瓷的化學(xué)式為Er3+ A3Sc2B3O12，分 子式 Er3xA3 (1_x_y) ScJ3O12 [A = Gd、Y ;B = Ga、Al]，其中 0 < χ < 1。所述陶瓷是以聲子能量較低的YSGG或具有抗輻射性能的GSGG等為基質(zhì)的透明激 光陶瓷。其中Er3+是取代陶瓷中十二面體中心位置的Α3+，Er3+的取代濃度為30-50at%。所述的激光透明陶瓷Er:A3Sc2B3012[A = Gd、Y ;B = Ga、Al]的制備方法
(1)、根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鈧石榴石Er3+:A3Sc2B3012[A = Gd、Y ;B = Ga、Al] 激光透明陶瓷原料的固相制備方法，其特征在于，按照下列化學(xué)反應(yīng)式3xEr203+3 (1-x) A203+2Sc203+3B203 = 2Er3xA(3_3x_3y)^2B3O12，其中 A = Gd，Y ;B = Ga, Al, χ = 30_50at%，通過(guò) 固相反應(yīng)法制得 Er = AJc2B3O12 [A = Gd、Y ;B = Ga、Al]原料。另外還可采用液相法制備所述陶瓷的納米粉體原料，液相法是指溶膠-凝膠法、 噴霧干燥法、沉淀法、低溫燃燒等方法制備所述透明陶瓷的納米多晶原料，對(duì)于難溶于酸的 Ga2O3和Al2O3，可以用金屬Ga、Al或Al (NO3) 3等鎵鋁的可溶性化合物代替。(2)、使用(1)制備的粉體原料，用200-300Mpa的壓力得到所需形狀的陶瓷素坯， 采用真空或氣氛的高溫?zé)Y(jié)獲得高質(zhì)量的Er3+Afc2B3O12 [A = Gd、Y ；B = Ga.Al]激光透明 陶瓷。所述激光透明陶瓷除可用常規(guī)的閃光燈泵浦外，還可使用中心波長(zhǎng)在790nm或 970nm附近的半導(dǎo)體激光作為泵浦源。本發(fā)明提供一種激光透明陶瓷Er3+ = Afc2B3O12 [A = Gd、Y ；B = Ga、Al]，可以采用真 空或氣氛的高溫?zé)Y(jié)法獲得高質(zhì)量的透明陶瓷。用Er3+: Afc2B3O12 [A = Gd、Y ;B = Ga、Al] 透明陶瓷產(chǎn)生的2. 7-3 μ m波段激光在醫(yī)療、科學(xué)研究及軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。


圖1是采用半導(dǎo)體激光器作為泵浦源實(shí)現(xiàn)Er3+: Afc2B3O12 [A = Gd、Y ;B = Ga、Al] 透明陶瓷實(shí)現(xiàn)激光輸出的一種實(shí)驗(yàn)裝置圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 制備高摻Er3+離子濃度的Er:YSGG激光透明陶瓷高摻Er3+離子濃度的Er YSGG激光透明陶瓷是指Er3+離子的摻雜濃度在 30-50at %之間。例如Er3+濃度為38at %。以固相法、共沉淀法或溶膠-凝膠法制備Er YSGG 納米粉體，用冷等靜壓獲得一定形狀的素坯，采用真空或氣氛在1600-1800°C燒結(jié)獲得透明 激光陶瓷。實(shí)施例2 實(shí)現(xiàn) Er3+: AJc2B3O1JA = Gd、Y ；B = Ga, Al]陶瓷 2. 7-3 μ m 波段激光輸 出的一種實(shí)驗(yàn)裝置采用970nm半導(dǎo)體激光器泵浦Er:YSGG(Er3+的摻雜濃度為38at% )的透明陶瓷 元件。實(shí)驗(yàn)裝置如附圖1。圖中1是970nm半導(dǎo)體激光器；2是聚焦透鏡；3是對(duì)2. 7-3 μ m 波段全反射，對(duì)970nm全透射的介質(zhì)鏡；4是Er:YSGG透明陶瓷元件；5是對(duì)2. 7-3 μ m波段 部分透射，對(duì)970nm全反射的介質(zhì)鏡；6激光能量計(jì)。由于2. 7_3 μ m附近波長(zhǎng)處于水的強(qiáng) 吸收帶，因此在此激光實(shí)驗(yàn)裝置中，還需要排除諧振腔內(nèi)的水氣或縮短諧振腔以減少水氣 對(duì)激光振蕩的不良影響。
權(quán)利要求
1.鉺摻雜的含鈧石榴石激光透明陶瓷=Er3+= AJc2B3O12，其特征在于透明陶瓷的化學(xué) 式為 Er3+ = AJc2B3O12,分子式 Er3xA3(1_x)^2B3O12，其中 A = Gd、Y ;B = Ga、Al ；0 < χ < 1，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鈧石榴石激光透明陶瓷Er3+= AJc2B3O12，其特征在于所述 Er3+離子濃度的高摻，它的激光波段在2. 7-3 μ m附近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鈧石榴石激光透明陶瓷Er3+= AJc2B3O12，其特征在于所述陶 瓷可以是以聲子能量較低的釔鈧鎵石榴石^(^&3012或以具有抗輻射性能的釓鈧鎵石榴石 G3Sc2Ga3O12為基質(zhì)的激光透明陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鈧石榴石激光透明陶瓷Er3+= AJc2B3O12，其特征在于所述的 Er3+是取代晶體中十二面體中心位置的Gd3+或Y3+，Er3+的取代濃度為30-50at%。
5.如權(quán)利要求1所述的含鈧石榴石激光透明陶瓷Er3+= AJc2B3O12,其特征在于所述透明 陶瓷可用閃光燈泵浦，還可使用波長(zhǎng)為790nm或970nm的半導(dǎo)體激光作為泵浦源。
6.一種權(quán)利要求1所述的含鈧石榴石激光透明陶瓷Er3+ = AJc2B3O12原料的制備方法， 其特征在于可按照下列化學(xué)反應(yīng)式3xEr203+3 (1-x) A203+2Sc203+3B203 = 2Er3xA(3_3x) ^2B3O12,其中[A = Gd、Y5B = Ga、Al], χ = 30-50at%，采用固相法、溶膠-凝膠法、噴霧干燥 法、沉淀法、低溫燃燒方法制備所述透明陶瓷的粉體原料；
7.—種權(quán)利要求1所述的含鈧石榴石激光透明陶瓷Er3+ = AJc2B3O12的制備方法，其特 征在于在200-300Mpa的壓力下將Er3+ = Afc2B3O12粉體壓制成坯體，采用真空或氣氛條件的 高溫?zé)Y(jié)法制備Er3+ = Afc2B3O12激光透明陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種激光透明陶瓷，在含鈧石榴石陶瓷基質(zhì)中摻入Er3+，其中Er3+的摻雜濃度高于30at％，表達(dá)式可寫為Er3+:A3Sc2B3O12[A＝Gd，Y；B＝Ga，Al]，Er3+是取代十二面體中心位置的A3+，它的激光波段在2.7-3μm附近。這種波段的激光在醫(yī)療、科學(xué)研究及軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。其中Er:GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)激光透明陶瓷還具有抗輻照特性，除可滿足一般應(yīng)用的需要，也可滿足空間環(huán)境應(yīng)用的需要。
文檔編號(hào)C30B29/28GK102061523SQ201010607638
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者劉文鵬, 孫敦陸, 張慶禮, 李為民, 殷紹唐, 秦清海, 羅建喬, 谷長(zhǎng)江, 韓松 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所