新型LD泵浦激光材料NdYbRGR=Al-Ga的研究资料讲解.docx

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长春理工大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文《新型LD泵浦激光材料Nd：YbRG (R=AI．Gal的研究》是本人在指导教师的指导下．独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体．均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者签名： 叁超—直工年—土月丑同

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作者签名： 金超 址年—王月丑日

导师签名 丝年互月芝日

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摘 要

激光陶瓷粉体的台成技术是制备透明陶瓷的基础和关键。目前国内外还没有 关于Nd：YbAG和Nd：YbGG陶瓷粉体的研究和报道。本文采用共沉淀法和低温 燃烧法台成了Nd：YbAG和Nd：YbGG激光陶瓷粉体，探讨了煅烧温度及煅烧时 间对粉体性能的影响。利用XRD、IR、SEM及光谱分析等测试手段研究了粉体 的结构、形貌及光谱性能。
结果表明，两种方法都在800℃就可获得YbAG和YbGG纯相，共沉淀法制 各粉体的昂佳条件是：煅烧温度1000℃，煅烧时间2h：低温燃烧法制备粉体的 最佳条件是：煅烧温度950℃．煅烧时间2h。对Nd：YbA0和Nd：YbGG激光陶 瓷粉体进行了吸收、荧光光谱分析。在808nm、970rim激发下测得粉体室温发射 谱，观察到了Nd’一Yb”以及Yb”—·Nd”问的能量传递现象。

关键词Nd：'i7bAG Nd：YbGG低温燃烧法共沉淀法性能表征

ABSTRACT

The synthesis of laser ceramic powders is the prerequisite and key of the transpareat ceramics There has nol been mpofted currently yet in the country aboul neodymium·doped ytterbium aluminum garetrNd：YbAGl and neodymium-doped
坩erbium gallium garet州d：YbGG)ceramic powders In this paper the powders of
Nd：YbAG and Nd：YbGG laser ceramic have been prepared b)co-precipitation method and】ow—temperature method．and the precursor calcination time and calcination temperature have been discussed XRD m，SEM and spectral analysis have been used to study stnlcture．morphoylogy and spectral properties ofpowders
The results was shown that YbAG YbGG pure phase at 800℃call be obtained by two method The optimum preparation conditions of co—precipitation method： calcined at 1000"C for 2 hours：The optimum preparation conditions of low- temperature combustion method：calcined at 950℃for 2 hours Absorption and
fluorescence emission spectra of Nd：YbAG and Nd：YbGG laser ceramic powders
were studied From the fluorescent spectra exceed by 808rim and 970nm the
Nd’_1n3_andYb’-_Nd3’energ)rtransferhayebeen obseⅣed

KeyⅥords：Nd：YbAG Nd：YbGG low-temperature combustion method co-precipitation method property characterization

目 录

摘 要 ．．． ， ．．． ．¨ 1
ABSTRACT．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 目 录 ．．． ．Ⅲ 第一章绪论 ¨． + ¨． 1
】I固体激光器概述 I
1．2激光器的工作物质 3
1 3 LD泉浦激光陶瓷材料 4
1 4基质材料的晶体结构及研究进展
．． 8
4 5本论文研究的内容、目的和意义 II
第二章共沉淀法制各Nd：YbAG陶瓷粉体．．． 13
11 H言 ．． 】3
Z2实验试剂及仪器 ．． 13
2．3样品的制蔷 14
2．4样品的表征 15
2．5结果蛳{论 16
第三章低温燃烧法制各Nd：YbAG陶瓷粉体 ．¨ 。25
3】Ⅲ百
，． 25
3．2实验斌#q及仪器 25
3．3样品的制各 26
3 4燃烧剂的选择及用量的计算 26
3,5结果与讨论 29
3．6光谱陛能分析 3I
第四章共沉淀法制各Nd：YbGG陶瓷粉体 37
4l实验药品及实验仪器 37
4．2样品的制各 37
4,3结粜与时论 38
第五章低温燃烧法制各NiI：YbGG陶瓷粉体 ．47 51实验试剂及仪器47
5．2样品口々制各 47
5．3结果与讨{宅48
5 4光谱肚能分析 51
结 论 一 。 54
致 谢 ．56
参考文献 ．． ．．． 57
附 录 一 ．一 ．．． ． ．．． 60

第一章绪论

11固体激光器概述
1,1．1激光技术概论 激光技术是一门综合技术。它不仅涉及到了光学和电子的领域，还涵盖了机
械、材料和特种工艺等方面，在很多领域应用广泛【112】。该技术在自然科学和军 事领域中的应用最为广泛，同时在工农业方面和医疗领域中也受到了一定程度的 关注-所以众多研究者在激光技术的基础和应用方面进行了广泛而深入的研究， 致使激光技术在最近一段时间得到了迅猛的发展。
提供能量的泵浦源，产生激光的工作物质以及确保激光质量的光学谐振腔构 成了激光器。激光工作物质是由使工作物质在泵浦源作用下产生激光的发光粒子 也叫做激活粒子和供给发光粒子寄存场所的基质这两部分组成的。但是要使激光 物质发光就必须使澈活粒子中的粒子数发生反转，而且要想使输出的激光有很好
的稳定性也必须要有激活粒子，分子、原子或离子都可以作为起激活作用的粒子。 其中一部分激活粒子是能够单独存在的，然而还有一些激活粒予就必须要与基质 材料相互依存，而不能单独存在。作为基质的材料既可以是固体也可以是液体。 泵浦源是完成粒子数发生反转这一过程必不可少的条件，而且还要求泵浦源 的泵浦波长必须与激活粒子的能级相一致。它除了要有激光上能级(激发恕)和
激光下能级(基态)外还要有一些其他的相关能级(亚稳态)。 泵浦源就是用一定波长的光照射工作物质使其中的粒子吸收能量发生反转
进而发出激光。现在己经研究出来并使用的泵浦源有很多种，激光工作物质不一 样就要选用不相同的泵浦源才能使物质吸收能量发出激光。通常来说，气体激光 工作物质是通过激励的方法实现激光输出的，把气体封闭在很细的玻璃管中，在 玻璃管的两端分别施加电压，然后接通电源使其放电来完成激励口l，而氙灯等普 通光源就可以作为固体激光器的泵浦源，光照射在工作物质上使其产生激光的过 程也叫做光泵。
虽然激光是出处于粒子数反转状态的激光工作物质产生的，但是这样的激 光确有很多缺点，如：激光的寿命不是很长．方向不统一，而且其强度也组低， 产生的激光有很多种模式。有如此多缺点的激光其实用价值非常低。所以要想使 得到的激光具有稳定性、持续性、质量高以及要有一定功率，就还需要激光器组
成部分中不可缺少的一部分一光学谐振腔。光学谐振腔具有能够产生激光振荡并

且还能保持激光振荡、提高激光的输出质量这两个非常重要的胜质。 目前市场上的激光器种类非常多，比较常见而且普遍使用的就是固体激光
器。固体激光器是把掺入了一定质量的金属离子的晶体或玻璃制成的材料作为激 光工作物质，用泵浦源激发时这些金属离子能够吸收能量发出不同波长的光。固 体激光器除了上面三个组成部分以外还必须要有电源和聚光冷却系统这两个部 分。虽然平行平面反射镜可以用做谐振腔，但是为了获得更好质量的光柬．现在 都把多种形式的球面镜用于固体激光器的谐振腔中。工作物质中的激活粒子在基 态吸收足够的能量，使粒子数发生反转跃迁到能量很高的激发态，工作物质在这 个过程中得到增益．然后再通过光学谐振腔的对其作用产生激光振荡，这一过程 就是泵浦手段也叫做激发源。

l_1．2 LD泵浦固体激光器

到了20世纪后期，固体激光器器件、激光技术和激光器的应用得到了迅猛 的发展，推动他们发展的就是研究者对半导体激光器(LD：Laser Diode)和半 导体激光器列阵(LDA：LaserDiodeArmy)的不断研究，随着研究的深入研发 出了二极管泵浦固体激光器(DPSSL：Diode pumped Solid-st0．te Laser)。DPSSL 具有以下特点：产生擞光的效率比较高、工作时热效应很小、体积小、输出功率 很高、光束的输出质量好和发射波长易于用温度来调谐等。随着研究的月益成熟， DPSSL已经是光电子行业发展迅速，有很好的应用前景，受到很多研究者关注 的领域之一。尤其是大功率的DPSSL在很多领域有其独特的应用，如医疗领域、 军事领域、科研和工业等领域，最近几年对DPSSL的研究成为各个国家科研竞 争的热点p刊。
用传统的闪光灯作为激光器的泵浦源时效率非常低，所以为了提高效率采用 LD泵浦源。例如掺钕离子的Nd：YAG作为固体激光器的工作物质，因为钕离子 的吸收带与传统的泵浦灯的宽的辐射光谱不能很好的匹配，所以Nd”离子不能 根好的吸收能量，泵浦Nd：YAG的能量与它发出激光之间的转换效率很低。大约 在3％以下，而且当泵浦源的功率报大时其热效应非常大，不坦稳定性差，光束 质量也很差。但是LD作为泵浦源时发射谱线约1．5 nm，而且它的技射波长可以 通过温度来调节，所以很容易实现泵浦源的发射波长与掺杂离子的吸收带相吻 合，所以LD固体激光器的泵浦效率要比普通的灯泵浦效率要高许多。由目前的 研究可以得出，LD泵浦固体激光器的光与电两者的转换效率可达到30％以上， 有时可达到50％，而掺钕的钇铝石榴石的光光转换效率可以达到40％。所以， 用LD激光器作为泵清源，Nd：YAG作为工作物质耐的转换效率可以超过lO％。 LD，LDA固体激光器的输出频率非常稳定。因为固体激光器的工作物质是固体． 固体中分子的运动速度比较慢，所以LD固体激光器的噪声比液体和气体激光器

的噪声小。DPSSL具有其它澈光器不可比拟的特点，如使用寿命蚝、光束质量 好、频率稳定性强、热光畸变小等。LD固体激光器不仅在中小功率范围内有很 好的应用前景．已经逐渐代替了传统使用的其他激光器，在大功率范围内也有很 好的应用，由于其功率可以达到千瓦数量级，所以也向大功率的激光器提出了严 峻的挑战t71。
现在，LD固体激光器的输出功率高是其发展的首要方向。通过文献可知引， 采用LD阵列泵浦Nd：YAG时，在Nd”离子最强发射峰对应的波长处的连续输出 功率为3 kW左右．在倍频峰处输出的连续功率也达到了400 W。而且依照比例 放大这一原则可以得出，它的输出功率应该在5 kW以上，有可能达到万瓦的数 量级，所以它具有使激光发生核聚变所需的巨大能量。第二个发展方向是可见波 段和紫外波段的激光输出。LD固体激光器通过一些技术手段可以得到各个波段 的激光输出．如红光(670 ran、660 nm、656 ran和627／am)、黄光(594 nrn)、
绿光(532 mn)、蓝光(473 nm、457 rtm、454 sin和45l衄)和紫光(430 nm)
等波段，Nd’离子可以发出1064 IlⅡI的光通过倍频后就可以得到532叫的绿光， 并且输出功率达到瓦数量级的连续渡也很多。紫外波段的激光可以通过将发射光 进行三倍频或者四倍频后得到，其输出功率也很高。
激光器由开始的大型化变得小型化，由气体和液体化变得固体化的转变标志
就是LD固体激光器的出现。为了使泵浦波长与LD光源二者能相互匹配，研究 制鲁LD激光光僻是其关键。传统的泵浦灯己经被新型的激光光源所取代。LD 固体激光器由于结构紧凑所以体积比较小，质量也很轻，而且光和电之间的转换 效率也比较高，荧光寿命和使用寿命都很长，所以使激光器向固体化转变是当前 研究者的目标。由以上可知．激光的应用领域在固体激光器尤其是可调谐激光器 出现后，使用范围更加广阔。

I 2激光器的工作物质

决定工作物质硬度、熔点、沸点等物理性质的基质材料和决定工作物质发光 特性的激活离子两者组成激光工作物质口J。激活离子决定了工作物质能够发出哪 些波段的激光，需要什么波段的激光就要掺杂不同能级结构的激活离子唧。激活 离子都包括基态、亚稳态和激发态能级．这些能级是由电子组态中处于不同运动 轨道韵来满内壳层的电子构成的。徽活离子中来充满电子的内壳层电子所在能级 是激光的工作能级，国为处于外层的电子对其原于壳内层的电子有屏蔽作用，所 以晶体场的强弱对电子的能级跃j壬产生的影晌不大。因此处于自由运动状态的离 子的光谱与依存在不同基质中的同类离子的光谱几乎没有差别。这说明激光的跃 迁线宽很窄，也就是说激发的截面积比较大．激光的工作能级之间产生无辐射跃

迁的几幸小，能敛『剐的跃迁寿命比较长，所以簧使物质发出激光需要很低的闽值 泵浦速率．
、基质材料 晶体和破璃是固体工作物质最常用的两类基质材料。而基质材料为了能够承
受激光器实际工作时的苛刻条件，必须要具有很好的机械性能、良好的光学质量
和优良的热性能。而且基质的物理性质是否稳定、化学性质是否稳定以及材料是 否容易加工等因素也必须考虑在内。一般而言，我们要尽可能的使掺杂离子的半 径和化合价与基质中被取代的离于的半径和化合价尽可能的相一致。
二、激活离子
可以掺杂到固体工作物质中的激活离子主要有以下四类f10-HI： 1三价的稀土离子 例如镧系元素中的La’、P，、N矿、sm3+、E一+、Dy”、Ho卜、E，、Y护+
等。因为最外层的电子对没有填满电子的内层的电子有屏蔽作用，所以就算在不 一样的基质中掺杂相同的离子，它的光谱和这个离子没有被束缚时的光谱也相差 不大。上述离子多数都是四能级系统。
2二价稀土离子
例如稀土离子sm*、D严+、EP、Tm“等。因为化合价不是根稳定．所以当 用紫外光对物质进行辐射或者对它们进行加热对，不稳定的二价稀土离子很窖易 变成三价离子。有时还会产生对激光运转非常不好的色心。
3过渡金属离子 例如c，+、Ti一、Nin、co”等过渡金属离子。这些激活离子的最外层为来充
满电子的壳层，没有其他的电子层能够对最外层电子产生屏蔽，所以基质晶体场 对激活离子的能绒以及发光特性的影响就特别大。处于自由运动状态的离子与以 掺杂形式进入到基质中的离子之间的差别非常大。
4锕系金属离子 因为锕系元索不容易制各，而且多数都有放射性，所阻到目前为止用做掺杂
离子得}4激光输出的只有铀(U")。

3 LD泵浦激光陶瓷材料

1．3 l LD泵浦Nd’离子激光陶瓷

稀土激活离子Nd3+离子主要用于激光介质㈣．Nd3+离子是四能数系统。图 l 1是Nd3‘离子的能级结构图 3 1”，4I叽是基态能级，当泵浦能量被Nd’离于吸收 后。Nd3+离子先从基态跃迁到4F3n、4Fm 4Fm等辙发态，激发态不稳定Nd’离于

再从嫩发态通过非辐射的方式跃迁回到比较稳定的4F帅亚稳态．从4F3n辐射跃迁
到4I耻、41 2、4k能级上舟别发出1350 nm、1064 tml、946 nm的激光。由二PFm
能级有很长的能纽寿命，所以4Illn能级与4F3n能级之间实现粒子数反转很容易， 对产生的光育很好的增益作用。受激辐射以后的钕离子从41llR能级再以非辐射跃 迁释放能量回落到纂态。

嘎2一(E；j一

受激辐射

4“剁(鞋p

4kp汪【X

图l I Nd’离子的能级结构图

1986年，第一批用Nd：YAG作为工作物质的LD固体激光器开始市场化”!I。 目前应用的最广泛、使用最为成熟的LD固体激光器就是掺钕激光器。因为GaAs LD泵浦源，AIGaAsLD泵浦源和GaAsPLD泵浦源能与钕离子的吸收带实现有 效耦合，所以掺钕离子的固体激光器的效率高。现在已经研究出了很多能够获得 很好激光输出的物质，用LD泵浦时它们的输出功率有时可以达到36W，斜效率 也能达到65％。例如Nd：glass【“l、Nd：YVo，”1、Nd：La2Be205i’”、Nd：YAGl”1、
Nd：YLFI”I、Nd：YApI“肄。目前掺N矿离子的应用最为广泛的激光晶体的物理
性能如袁l-l所示。如果想将激光的输出功率和斜效率进步的提高，Nd”离子 自身又限制了掺杂N分+离子的LD泵浦固体激光器的发展，其不利因素主要有如 下几方面：
l结构紧凑、集成化的掺杂Ndp离子的LD固体激光器很难实现。因为增加 激话离子的掺入质量是为了使泵浦源提供的能量的利用率提高．但是提高Nd’ 离子的掺杂浓度会产生浓度猝灭现象，即掺杂Nd”离子的量越高，材料的荧光 寿命会随之变小．泵浦功率也会增加。
2因为掺N一+离子的工作物质的吸收带非常窄，所以要得到我们所需要的
LD泵浦周体激光器的输出波长就要有非常精确的温度控制才能获得，

3不利于提高激光系统的转换效翠。因为不利于实现能量转移的激发态能量 吸收和上转换能量损耗等过程在掺Nd37离子的激光材料中都存在。

表i．i应用比较广泛的掺Nd”离子激光材料的物理眭能

1．3．2 LD泵浦Yb3+离子激光陶瓷

90年代以后．髓着输出波长在0．87-11岬范围内的InGaAs窄带泵浦源的 发展以及成本的下降㈤，掺Yb斗离子的激光材料得到了迅猛的发展。特别是LD 泵浦源可以作为产生激光聚变的动力∞1以及在通信领域、信息技术和军事方面 掺Yb什离子的激光材料具有很好的应用前景，使各国研究者都致力于对掺Yb“
离子的激光材料的研究【2¨”，我国也开始了对掺n3+离子的激光材料的探索研
究。
Yb计离子与常用的稀土离子相比较，具备以下几个特点‘3。1：
①Yb，离子的能级结构是稀土离子中结构最简单的，只有能量间隔相差 10000 cm。的基态和激发态两个能级，由于晶体场的相互作用两能级发生斯塔克 分裂，基态分裂成四个能级，激发态分裂成三个能级，所以Ybh离子由两能级变 成准三能级系统，结构图如1 2所示：
②0 9·I I¨m的波长范围是Yb”离子的吸收带，而且在此范围内吸收带的宽 度非常宽，掺杂Ybp离子的激光工作物质的吸收带-与InGaAs I．D泵浦源的970nm
的泵浦波长相互吻合，所以要得到与LI)泵浦源相匹配的泵埔波长．用掺杂Yb卜
离子的材料做激光工作物质时并不需要严格的控铱愠度就能够得到，
③量子效率的理论值在90％以上。这是因为激光的输出波长接近于激光器的 泵清波长，所以激光的奉征斜率效率很大：
④热负荷非常低．因为n"离子的激发态能级与泵浦源的能级离得非常近，
所以掺杂Nd”离子的材料的热负荷是掺杂坩+离子的三倍多；
⑤因为掺杂Yb”离子的物厦不能通过上转换发光，也没有激发态能量的吸 收，所以吸收光谱能量后几乎没有损耗．吸收光与发射光相互转换的效率就非常

高：
@在相同的基质中掺杂坩+离子时材料的荧光寿命是掺杂Nd。离子的四
倍，荧光寿命越长储存的能量就越多：
⑦掺Ybh离子的激光材料很少出现浓度猝灭，即使掺杂的质量很大也不会
出现这种现象。

、

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圈1．2 Yb’离子的能级结构图

因为Yb”离子作为掺杂离予时，其掺杂浓度可以达到很鬲甚至是1000／谚 杂，所以掺杂Yb’离子的工作物质能够制成微片．这是其它稀土离子不能制成 的_j”。因为InGaAs LD泵浦源与Yb”离子的O 9-l I m波长能够实现有效耦台，
而与Nd3+离子的波长范围不能有效耦合，所以要使掺Nd斗离子的激光物质产生 激光就需要很高的闽值能量，在此波长范围要Nd卜离子实现高效率的激光输出 就需要YbJ+离予作为它的敏化离子。
Yb：GGG晶体中因为Y一+离子与G矿离子的半径和化合价都比较接近．所 以Yb”离子取代GGG中的Od’离子，而且1r∥+离子还可以实现高浓度掺杂， 当Yb”离子100％取代Gd“离子时就形成了自激活的镱稼石榴石。所以YbH离 子100％掺杂到GGG中时就生成了YbGG晶体。Yb：YAG中Yb’离子100％取代 Y”离子时就生成丁YbAG晶体．此晶体可以自己发光而不需要其他物质的敏化 所以又叫自激活晶体。YbAG晶体中离子的掺杂浓度达到100％但荧光寿命仍然 很长。固为晶体的增益随着离子的掺杂浓度增加而逐渐变大，所以离子掺杂浓度 很高的晶体是固体激光器高效、小型化的首选基质材料。由于YbGG、YbA6中 的Yb”离子既是能使物质发光的激括离子又是基质的一部分，所以就不会产生 掺杂离子取代基质中离子因为两离子半径不一致而产生品格发生变形的情况。
几种常见的激活离子的光谱特性如表I一2所示。

表l-2几种常见的澈活离子的光谱特性

稀土离于 赞篙命：I麓0雾输譬率激慧长泵浦源+
(ms) (。～m2) (％) (Ⅱm)
1丽亍雨F厂—面丁F——罚了-——鬲F1=而万_—面五i，
键离子(Yb3。) I--5· 0l“+<94+ ～1．030· InGaAs·
铒离子(EP’)4--16" 01q 4×<91 4 。1．630． 1nGaAsP．
铥离于(Tm’) 4—16‘ 0i加4 x<91+ ～1．950． InGaAsP．
钬自}(H03’)4--16+0．4-q，9+<76 x -2 100． InGaAsP．

叶E衰能匹配； ·代表处于边缘情况；×十℃表不能匹配

从上文可知，LD固体激光器要解决的新课题主要有：探索新的基质材料， 找到适合基质材料的檄活离子以及怎样把LD泵浦固体激光器的激光效率和输出 效率提高。

1 4基质材料的晶体结构及研究进展

1．4．1镱铝石榴石的晶体结构

镱铝石榴石(ytterbiumAluminiumGarnet)的分子式为Yb3AI O(YbAG)， 其结构与YAG相类似，都属于立方晶系．o?一I。3d空间群，YbAG是氧化镱和 氧化铝按摩尔比为3：5的配比化舍生成的【36I。YbAG的熔点为2150'C。YbAO的晶 格常数为1l 93799A，而YAG的晶格常数为12 01159A。由于Y针离子半径为0 89A， Yb计离子半径为o 86 A．所以YbAG晶胞体积SnyAG的晶胞体积相差l 8％左右。
徐晓东等p1生长出了YbAG晶体，测试了密度为6．629／cm3，体积为l 7叭37眦3。
kB2(A04)3可咀表示YbAG的化学成分，其中A，B．L代表三种不同种类的 格位。YbAG@的一部分AP离子构成六配位的[A10d八面体结构，其中每一个位
-YqEA面体中心位置处的AIp离子的周围都会有六个位于正八面体角上的02。离
子．[AlOe]有C3j对称性：YbAG中的另外一部分Ar+离子构成四配位的[Alo|】四 面体结构，其中每一个位于四面体中心位置处的Al抖离子的周围都包括四个位于 正四面体角上的02’离子，【AlOd有s4对称性13sli YbAG中的Yb3+离于位于八配位 的[Yb08]十二面体结构中，Yb”离子位于fAl04J四面体的四个顶角与[A106】八面 体的顶角相连形成三维骨架中，Yb3十离子处在八配位中十二面潍的空隙位置。 YbA0晶体的结构如图1 3所示。

02一
AP+

Ybn

幽I 3YbAG晶体的结构图

¨．2镱镓石榴石的晶体结构

镱镓石榴石(ytterbitttrt Gallium Garnet)的分子式为Yb3GaiOl2(YbGG)， 其结构与GGG相类似，属于立方晶系． o?一I。3d空间群，YbGG是氧化镱和 氧化镓按照摩尔比为3：5的配比化台而生成的口”。OOG的晶格常数为12．3829A， YbGG的品格常数为12 2040A。因为YbH离子的半径为O 86A，Gd“离子的半径 为O 94A．所以YbGG的晶胞体积比GGG的晶胞体积要小。衰I。3列出了几种 材料的辐射波长和理论密度【柏】。

表I-3材料的辐射波长帚l理论密度

九B!(C04)3也可以表示YbGG的化学成分，其中A、B、C代表三种不同种 类的格位。YbGG中的一部分G矿离子是六配位的[Ga05]八面体-每一个位于正 八面体中心位置的Ga“离子的周围都会有六个位于八面体角上的O：。离子．[Ga06】 有C3j对称性；YbGG ee的另外一部分Gr+离子为四配位的(Gao司四面体，每一 个位于四面体中心垃量的Ga”离子周围都会有四个位于四面体堵上的02’离子，

[6aOd有S。对称眭：YbGG中的Y驴’离子ⅢU位于八配位[Yb08】的十二面体中，
而Yb“离子处在[(∽{】四面体的四个顶角与IGa06】八面体的顶角相连接形成的
三维骨架中，Yb’离子占据了十二面体的空隙位置，图l 4是YbGG的结构模型。
YbGG的结陶非常稳定-硬度大、强度高，具有优良的物理、化学和机碱性能叭421。
一蘸 0{|二面{；}．
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图l 4YbGG的结构模型
1．4．2国内外研究进展 掺杂稀土离子的激光材料有广阔的应用前景，例如其信息领域、光电材料领
域、激光器以及光学温度传感器等领域都有重要应用。由于Nd’离于自身的特
点，所以现在各个国家仍然将掺N一+离子的激光材料作为国家研究的重要课题。
1972年-R C Andersonl43’研究出了第一台陶瓷激光器，基质材料是Nd：Y203
陶瓷。
1973年-C Greskovich【4卅采用冷等静压法，在氢气氛围下，采用氧化钇、氧 化钍和氧化钕为原料，配比为9：1：1，在2170"C烧结出了尺寸很大的Nd：Y，03透 明陶瓷棒，通过测试计算出了它的阈值与掺钕的玻璃相差不大。
】984年，GDewith等m|想用多晶材料来取代单晶材料作为激光输出材料， 用Nd：YAG陶瓷取代Nd：YAG单晶．但是，由于多晶陶瓷的透明度差，吸收系 数大等缺点根难实现激光输出。
1990年，M Sekital4“用共沉淀法制各出了YAG陶瓷粉体，用尿素作为沉淀 荆，烧结得到的透明陶瓷的性能与YAG单晶的性能相差不太。到了1991年，他 为了将透明陶瓷的吸收系数由l 7 cm“减小到0．25 cm～，又制各出了掺杂P一， Nd”，Eu”和Er”的YAG透明陶瓷㈣。计算了粒子数发生反转的闻直．得出结 论：透明陶瓷与单晶相比两者相差25倍。
1995年．Alkesue【4”利用固相反应法烧结出了透明的YAG陶瓷．其中原料 要求高纯度，他是第一个成功用LD激光器作为泵浦源，用YAG陶瓷作为激光 工作物质，成功完成CW激光实验的人。

2001年，日本的J．LU㈣501等研制出了一台陶瓷激光器，并第一次用实验证 明了陶瓷作为工怍物质时激光器的效率与单晶的相差不大。
2004年．徐晓东”7噜生长出了Yb3Ai5012晶体，采用的是感应加热提拉的方 法。并测得了它的密度与晶胞参数。测试了YbAG晶体的吸收和装光光谱，计 算出了YbAG晶悻的荧光寿命大约在270“s左右．YbAG晶体与InGaAs LD泵 浦源相互匹配。
2006年，万艳芬(511等用共沉淀洼成功制各出了Nd：YAG份体，其中沉淀剂 为N出HC03。研究了在1200"C煅烧不同时间的Nd：YAG粉体的性能。并在真空 条件下，于1650。C烧结出了透光度好的Nd”离子的掺杂浓度为I％的YAG激光 陶瓷材料，研究比较了Nd：YAG陶瓷和Nd：YAG单晶的光谱性能。
2008年，吕灼菲Ⅲ1用溶胶-凝胶燃烧法制备了Nd,Yb：YAG陶瓷粉体。在900"C 得到晶粒分布均匀、没有团聚的Nd，Yb：YAG陶瓷粉体。在室温下测试了 Nd．Yb：YAG粉体的吸收和荧光光谱，用980帆的IaGaAs激光器作为泵浦源时， 实现丁Yb”离子一Ndp离子的能量转移，观察到了Nd¨离子的可见光：用808哪 的AIGaAs激光器作为泵浦源时，N一+离子_n什离子的能量转移实现了Y矿 离子的2Fsr2_jFln发射。
2008年，李轶Is31分别用两种方法制各了Nd，Yb：GGG粉体．并比较丁溶胶． 凝胶法和共沉淀剂洼的优缺点．研究分析了陶瓷粉体的吸收光谱和荧光光谱， Nd，Yb：GGG檄光陶瓷粉体中的掺杂离子N一+离子和Yb3+离子的吸收带发生重 叠，能够使Nd’离子的4F3a一4I孵能级和Yb”离子的2Fm_2Ri能绒产生交叉弛 豫现象，实现了Ndp离子到．rb卜离子的能量转移，有效提高了激光的输出效率。
到目前为止，国内还没有关于Nd：YbAG、Nd：YbGG激光陶瓷材料的研究和
报道。

1 5本论文研究的内容、目的和意义

1．5．1研究的主要内容

“)分别采用两种不同的方法靠惜出了Nd：YhRG(R--AtGa)激光陶瓷材 料，对合成材料的煅烧温度、煅烧时间、粉体的粒度和纯度与激光材料质量的关 系进行系统的研究，得出了制各Nd：YbRG(R=AI，G-a)激光陶瓷材料的展佳工艺 条件t
(2)为了研究激光陶瓷材料的结构．测试了粉体的XRD、FT—IR、sEM、
能谱等：
(3)室温下测试丁陶瓷粉体的吸收光谱，用不同的泵浦源测试了粉体的荧 光光谱分析了Nd”离子和Ybp离子之间的能量传递过程。

1．5 2研究目的和意义

目的各个国家的研究着仍将研究新型的掺N矿离子的激光材料作为重要课 题。Nd计离子能够发射出多波段的激光，但目前应用比较广泛的仍然是1064 mn 的激光，倍频后芝啦532 nm的绿光。AIGaAsLD泵浦源与掺Nd如离子的激光介 质的I旺收带自E够育效耦台。hGaAs LD泵浦源与掺Y矿离子的激光肯质的吸收 带能够有赦耦台．既能与AIGaAs LD泵浦源有效耦合又能与InGaAs LD泵浦源 有效耦台的就是Nd”离子、Yb]+离子共掺的激光材料。所以．对Nd卜离子、Yb’ 离子共掺激光材料的研究具有重要的意义。
本论文分别采用两种方法制备出了性能优良的Nd：YbRG(R=AI．Ga)系列新型 的激光陶瓷粉体．研究它们的合成规律以及影响粉体合成的各种田素，对粉体生 成的条『牛进行改进和完善，通过表征Nd：YbRG(R=AI，Ga)激光陶瓷粉体的结构及 性能，进一步对稀土离子发光和敏化机制进行研究。

第二章共沉淀法制备Nd：YbAG陶瓷粉体

2 1引言

共沉淀法是将选定的沉淀剂加入到含有几种金属的盐溶液中．让该溶液中的 各种金属离子与沉淀剂离子充分混合，将沉淀物进行加热分解得到所制备的氧化 物粉末。普通的高温固相法所制备的粉体均匀性很差，而且在工艺过程中特别容 易引进杂质，例如在研碎过程、混和原料的过程c三【及煅烧的过程。共沉淀法能够 克服殷高温固相法制备陶瓷粉体的缺点，从而制各出性能优良的激光陶瓷粉 体。
制备Nd：YbRG(R=AI，Ga)激光陶瓷粉体利用共沉淀法的优点有： (1)制备陶瓷粉体应用最为普遍的方法就是共沉淀法，共沉淀法实验过程
简单，精确度容易控制。 (2)采用共沉淀法制各陶瓷粉体，原料能够混合的非常均匀，制备出的粉
体尺寸为分子水平。 (3)采用共沉淀法制各粉体，价格低廉，能量损耗少，能够在实际批量生
产中被采用。

!：实验试剂及仪器

2．2．1实验主要原料

表2-1是用共沉淀法制备Nd：YbAG粉体的实验试剂。

表2-I实验试剂
试荆名称 升子式 纯度 生产广家
氧化镱 Ylu03 99999％ 长春海普瑞稀土材料技术有限公司 氧化钕 N也03 99 9999％ 长春海普瑞稀土材料技术有限公司 硝酸