共沉淀纳米粉体制备Yb:CaF_2激光陶瓷及其性能研究（英文）

利用共沉淀法合成的粉体,通过真空烧结结合热压烧结后处理制备了掺镱的氟化钙透明陶瓷(Yb:CaF_2)。在600℃预烧1 h, 700℃热压烧结2 h制备的5at%Yb:CaF_2透明陶瓷在1200 nm处的直线透射率达到92.0%。对陶瓷的显微结构、光谱特性和激光性能进行了测试和讨论。研究结果表明,陶瓷样品的显微结构均匀,平均晶粒尺寸为360 nm。此外,计算得到Yb:CaF_2陶瓷在977nm处的吸收截面和1030nm处的发射截面分别为0.39×10~(–20)和0.26×10~(–20)cm~2。最后,对Yb:CaF_2陶瓷激光性能进行了表征,得到最大输出功率为0.9 W,最大斜率效率为23.6%。     

高光学质量Yb:YAG透明陶瓷的制备及激光参数研究

以高纯Y₂O₃, α-Al₂O₃, Yb₂O₃粉体作为原料, 采用固相反应和真空烧结法(1750 ℃, 30 h)制备了高光学质量的Yb:YAG透明陶瓷。5.0at% Yb:YAG陶瓷中Yb ³⁺的实测浓度为6.41×10 ²⁰ cm ^-3, 晶胞密度为4.65 g/cm ³。本工作重点研究了Yb:YAG陶瓷的显微结构、光谱特性和激光性能参数。场发射扫描电镜(FESEM)结果表明, Yb:YAG陶瓷的结构均匀致密、晶界干净平直, 平均晶粒尺寸为(19±3) μm。该陶瓷样品(厚度为4.0 mm)在400 nm处的直线透过率为82.5%, 在1100 nm处的透过率为85.2%。泵浦波长940 nm处的泵浦饱和光强最小, 激光波长1030 nm处的泵浦阈值功率最低, 940 nm泵浦1030 nm激光的品质因子为1.02×10 ^-22 cm·s。通过计算增益截面表明Yb:YAG陶瓷宽带可调谐, 是理想的激光增益材料。     

醇水共沉淀法制备Yb:YAG透明陶瓷及其性能研究

Yb:YAG透明陶瓷由于具有宽的吸收带和发射带、高增益、低的热负载、长的荧光寿命、高的量子效率等优点而成为有应用前景的高功率固体激光器用增益介质。本研究优化了粉体的性能并制备了高透明的Yb:YAG陶瓷。以碳酸氢铵为沉淀剂, 分别以纯水或乙醇/水混合物为溶剂, 采用共沉淀法合成了5at%Yb:YAG纳米粉体。在1250 ℃下煅烧4 h得到的所有粉体均为纯YAG相。与纯水溶剂制备的粉体相比, 醇水溶剂制备的粉体具有更小的平均晶粒尺寸和更低的团聚程度。以醇水溶剂制备的粉体为原料, 采用真空烧结法在不添加烧结助剂的情况下成功制备了5at%Yb:YAG透明陶瓷, 并对1500~1825 ℃烧结20 h和1800 ℃烧结10~50 h所得陶瓷的微观结构和直线透过率进行了探究。除在1825 ℃下烧结20 h所得的陶瓷外, 其余的5at%Yb:YAG陶瓷都具有均匀的微观结构。在1800 ℃下烧结50 h制备的5at%Yb:YAG陶瓷具有最高的光学质量, 在1100和400 nm处的直线透过率分别为78.6%和76.7%(样品厚度为2.2 mm)。该Yb:YAG透明陶瓷在937 nm处的吸收截面为5.03×10^-21 cm², 在1031 nm处的发射截面为13.48×10^-21cm²。     

固体激光用Nd:Lu2O3透明陶瓷的制备和光学性能研究

Nd:Lu₂O₃材料由于具有高热导率、低声子能量和优异的光学特性而成为非常有前景的高功率固体激光器用的增益介质。但Lu₂O₃单晶的熔点超过2400 ℃, 难以生长, 而Lu₂O₃陶瓷既能在低温下制备, 又具有与晶体相当的光学性质和激光性能从而备受关注。本研究制备了高透明的Nd:Lu₂O₃陶瓷并对其光学性质和激光性能进行探究。以共沉淀法制备的纳米粉体为原料, 采用真空烧结结合热等静压(HIP)两步烧结法制备了1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷。对制备的粉体、素坯和陶瓷的微结构进行了表征: HIP后处理的陶瓷平均晶粒尺寸是724.2 nm。厚度为1.0 mm的1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷在1100 nm处的直线透过率是82.4%, 样品在806 nm处的吸收截面为1.50′10^-20 cm², 而根据荧光光谱计算得到的发射截面为6.5′10^-20 cm²。分别在878.8 和895.6 nm波长激发下, 1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷⁴F_3/2·⁴I_11/2跃迁的平均荧光寿命均为169 ms。当输出耦合镜的透过率T_OC=2.0%时, 退火后的1.0at% Nd:Lu₂O₃透明陶瓷获得了最大输出功率为0.47 W的准连续(QCW)激光输出, 斜率效率为8.7%。本研究成功制备了显微结构均匀、高透明度的1.0at%Nd:Lu₂O₃陶瓷, 并展示了其在固体激光增益介质领域的广阔应用潜力。     

CaF2:20Yb2Er/Na@CaF2:Ce纳米材料近红外二区发光性能研究

利用热分解法制备了CaF₂:20Yb2Er/Na@CaF₂:Ce纳米颗粒，并对其NIR-Ⅱ发光性能和荧光寿命进行了探讨。研究结果表明，在980 nm光源激发下，其NIR-Ⅱ发光性能强度约为CaF₂:20Yb2Er的68倍，且位于1 525 nm处的荧光寿命为2.29 ms。该体系Yb³⁺作为敏化剂，Er³⁺作为激活剂，Na⁺共掺杂使晶体场的局部对称性改变，核壳结构的构建使发光中心的荧光猝灭最小化，壳层结构引入Ce³⁺可以使得Er³⁺与Ce³⁺在界面处产生交叉弛豫。由此可见，将离子共掺杂和构建核壳结构两种策略结合起来更有利于NIR-Ⅱ发光性能的提升。综上，CaF₂:20Yb2Er/Na@CaF₂:Ce纳米颗粒在生物成像领域具有潜在的应用价值。     

微量SiO2添加对Pr:Lu3Al5O12陶瓷光学及闪烁性能的影响

在制备透明陶瓷时, 广泛采用烧结助剂来提升陶瓷的光学质量。但烧结助剂的添加可能会恶化陶瓷的发光性能。本研究采用真空预烧结合热等静压烧结制备了0.25at%Pr:LuAG闪烁陶瓷, 研究了微量SiO₂烧结助剂对陶瓷光学及闪烁性能的影响。结果表明, 添加少于200 ppm的微量SiO₂(1 ppm表示添加量为1×10^-6 g/g)能有效促进热等静压过程中气孔的排出, 有效提升了Pr:LuAG陶瓷的光学性能。150 ppm SiO₂添加的Pr:LuAG陶瓷在400 nm处的直线透过率约为77%。同时研究了预烧温度及时间对Pr:LuAG陶瓷光学性能的影响。在实现完全闭气孔结构时, 进一步升高预烧温度或延长保温时间会降低热等静压过程中的致密化速率, 不利于气孔的排出, 从而降低了Pr:LuAG陶瓷的光学质量。此外, 添加微量SiO₂对Pr:LuAG陶瓷闪烁性能的影响较小。添加微量SiO₂结合热等静压烧结是制备Pr掺杂石榴石闪烁陶瓷的有效途径。     

Nd3+:Lu2O3放电等离子烧结及光学性能

Lu₂O₃是具有高热导率而成为极具潜力的高功率激光介质材料。实验以商用氧化物粉体为原料, LiF为烧结助剂, 采用放电等离子烧结法制备了不同Nd³⁺掺杂浓度(C_Nd=0, 1at%, 3at%和5at%) Lu₂O₃透明陶瓷, 并研究了Nd³⁺掺杂浓度对Lu₂O₃陶瓷的物相、烧结性能、微观结构及光学性能的影响。结果表明：在高Nd³⁺浓度(5at%)掺杂后烧结样品仍为纯Lu₂O₃相;Nd³⁺掺杂对Lu₂O₃陶瓷烧结性能及微观形貌的影响有限;所有样品最终均表现出高致密性(99.5%以上)和优异的透光性能, 其中3at% Nd³⁺:Lu₂O₃的透过率最高, 在1064和2000 nm处的透过率分别为82.7和83.2%。Nd³⁺:Lu₂O₃透明陶瓷的最强发射峰位于1076和1080 nm;且随着Nd³⁺掺杂浓度的增加, 荧光强度降低, 寿命变短, 发生浓度淬灭。     

反应烧结制备AlON透明陶瓷

γ-AlON透明陶瓷具有优良的光学和力学性能, 可望代替蓝宝石单晶用做红外窗口和透明装甲. 采用反应烧结法制备AlON透明陶瓷, 探索了烧结助剂以及保温时间对AlON陶瓷致密化的影响. 通过X射线衍射和扫描电镜分析了陶瓷烧结体的物相及显微结构, 利用分光光度计测试了透明陶瓷的直线透过率. 结果表明: 和单掺的MgO或Y₂O₃相比, 以MgO和Y₂O₃共掺作为烧结助剂能够更好地促进AlON的致密化. 在保持Y₂O₃添加量为0.08wt%的情况下, 样品的透过率随着MgO添加量的增加而明显提高. 添加0.08 wt% Y₂O₃ +1wt% MgO作为烧结助剂的样品在1950℃保温12h后透过率(600nm处)达到约60%.     

球磨转速对Nd:YAG透明陶瓷的显微结构及光学性能的影响

以高纯商业Y₂O₃、α-Al₂O₃和Nd₂O₃粉体为原料, 以TEOS(正硅酸乙酯)和MgO为烧结助剂, 采用固相反应和真空烧结技术制备了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷。系统研究了球磨转速(球磨时间10 h)对混合粉体的尺寸以及对陶瓷样品致密化行为、显微结构和光学性能的影响。结果表明: 通过球磨过程可以充分细化原料粉体的颗粒; 随着球磨转速的提高, 陶瓷烧结时样品中的气孔能更好地排除。但是球磨转速过高时, 陶瓷烧结体中存在少量的富铝第二相会降低样品的光学透过率。当球磨转速为130 r/min时, 真空烧结(1760℃×50 h)所得Nd:YAG透明陶瓷的微结构均匀致密, 几乎没有晶界和晶内气孔存在, 样品在1064 nm处的直线透过率高达83%。     

热等静压烧结制备细晶粒Ce,Y:SrHfO3闪烁陶瓷

Ce:SrHfO₃陶瓷因具有高密度和高有效原子序数, 对高能射线具有很强的阻止能力。同时, Ce:SrHfO₃陶瓷还具有快衰减和高能量分辨率等优异的闪烁性能, 引起了研究人员的广泛关注。由于传统的烧结方法难以实现非立方结构Ce:SrHfO₃陶瓷的透明化, 本研究采用真空长时烧结和短时真空预烧结合热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing, HIP)方法制备Ce,Y:SrHfO₃陶瓷。以金属氧化物和碳酸盐为原料, 1200 ℃下煅烧8 h可以获得平均粒径为152 nm的纯相Ce,Y:SrHfO₃粉体。1800 ℃真空烧结20 h获得平均晶粒尺寸为28.6 μm的不透明的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷, 而两步烧结法可以制备光学透过率良好的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷。本研究详细分析了陶瓷致密化过程中微结构的演变, 探究了预烧结温度对Ce,Y:SrHfO₃陶瓷密度、显微结构和光学透过率的影响。真空预烧(1500 ℃×2 h)结合HIP后处理(1800 ℃×3 h, 200 MPa Ar)所获得的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在800 nm处的最高直线透过率为21.6%, 平均晶粒尺寸仅为3.4 μm。在X射线激发下, Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在400 nm处产生Ce³⁺ 5d-4f发射峰, 其XEL积分强度比商用锗酸铋(BGO)晶体高3.3倍, Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在1 μs门宽下的光产额约为3700 ph/MeV。良好的光学和闪烁性能可以拓宽Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在闪烁探测领域的应用。     

Sc掺杂Nd:CaF2激光晶体的结构及其光谱性能参数

采用温度梯度法生长了0.5at% Nd、xat% Sc:CaF₂(x=0, 2, 5, 8)系列晶体, 测试了晶体的吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命。研究发现发射强度和荧光寿命随着Sc³⁺离子浓度的增加而提高。通过改变Sc³⁺离子的浓度发现, 当掺杂5at% Sc³⁺时可以获得最大的吸收截面为1.42×10^-20 cm²。另外, 掺入Sc³⁺使共掺晶体在吸收光谱796 nm处产生新峰。综上, 通过调节Sc³⁺离子浓度, 可以改变Nd³⁺离子的局域结构, 优化晶体的光谱性能。     

基于单根TaON纳米带的光晶体管与紫外到近红外响应

用Ta₂O₅ 纳米带模板转化法控制合成TaON纳米带, 典型的纳米带长约0.5 cm, 横截面积40 nm×200 nm~ 400 nm×5600 nm。在SiO₂/Si基片上加工出TaON单根纳米带的场效应晶体管; 该晶体管的电子迁移率和开关比分别为9.53×10 ^-4cm ²/(V·s)和3.4, 在254~850 nm范围内显示良好的光响应。在405 nm (42 mW/cm ²)的光照下, 外加5.0 V的偏压时, 光响应为249 mA/W, 光开关比为11。因此, 该器件具有良好的光探测性, TaON纳米带可作为光电子器件的候选材料。另外, 实验还控制合成出Ta₂O₅@TaON纳米带, 并加工成单根纳米带的场效应晶体管, 虽然相同光照条件下的光响应弱于TaON 纳米带, 但仍算是一种好的光电材料。     

Optical properties and energy transfer among Nd in Nd:Ca2Al2SiO7 crystals for diode pumped lasers

The energy levels of neodymium in the Nd³⁺:Ca₂Al₂SiO₇ (CAS) laser material with gehlenite structure are reported. As the Nd³⁺:Ca₂Al₂SiO₇ compound presents a broad absorption around 806 nm, it is a good candidate for diode pumped laser. The ⁴F_3/2→⁴I_9/2 and ⁴F_3/2→⁴I11/2 emission have been recorded and the fluorescence branching ratios calculated from the Judd-Ofelt analysis are 0.41 and 0.47 respectively. The emission cross section at 1.06 μm (⁴F_3/2→⁴I11/2 transition) is 5 × 10^-20 cm². The decay profiles of the Nd³⁺ emission have been analyzed for several Nd³⁺ concentrations using the kinetic microparameters related to the cross relaxation ( and R₀≈6 Å) and the energy migration probabilities ( ). In the Nd:CAS laser material, the optimal concentration corresponding to the maximum of the fluorescence intensity is determined to be around 2.7 × 10²⁰ Nd³⁺ ions cm^-3. The Nd³⁺-Nd³⁺ interactions are not very strong in this material as the optical concentration value is two times higher than in the Nd:YAG laser material.     

Electrical properties of garnet-like lithium ionic conductors Li5+xSrxLa3--xBi2O12 fabricated by spark plasma sintering method

A typical approach involving Pechini method and spark plasma sintering (SPS) method was presented for the preparation of high density Li_5+xSr_xLa_3--xBi₂O₁₂ (x = 0, 1) ceramics. Phase formation, microstructure, grain size and electrical properties of the specimens were examined using XRD, SEM and alternating current impedance spectroscopy (ACIS). Dense Li₅La₃Bi₂O₁₂ and Li₆SrLa₂Bi₂O₁₂ ceramics with pure garnet-like phase, relative density of 97% and average grain size of about 5 μm were fabricated using this approach. The total conductivities at 298 K of Li₅La₃Bi₂O₁₂ and Li₆SrLa₂Bi₂O₁₂ ceramics prepared by the SPS method are 5.1×10^-5 and 6.8×10^-5 S/cm, respectively, 2 times higher than that of samples prepared by the conventional sintering method.     

大尺寸La2O3-TiO2-ZrO2非晶塑性烧结行为

La₂O₃-TiO₂-ZrO₂玻璃具有很高的折射率, 在镜头材料和上转换发光基质材料等领域表现出良好的应用前景, 但其玻璃形成能力低, 通常只能采用快速冷却的方法制备, 因此难以获得大尺寸材料。为了获得大尺寸La₂O₃-TiO₂-ZrO₂玻璃, 本研究采用La₂O₃-TiO₂-ZrO₂非晶粉末为原料, 利用非晶在玻璃转变温度以上的塑性行为, 在温度动力学窗口ΔT内进行热压烧结制备了大尺寸La₂O₃-TiO₂-ZrO₂玻璃, 在保持非晶的前提下实现了La₂O₃-TiO₂-ZrO₂粉末的完全致密化。采用SEM、XRD等方法研究了样品的显微结构和相组成。研究发现, 当烧结温度高于910 ℃时, 烧结过程中会析出La₄Ti₉O₂₄晶相; 当烧结温度低于900 ℃时, 样品保持良好的非晶性, 并随着烧结温度的增加, 样品的致密度有所升高。烧结压力也会影响烧结过程, 样品的致密度随着烧结压力升高而增加。大尺寸La₂O₃-TiO₂-ZrO₂非晶材料具有很高的折射率, 在587.6 nm处折射率可达到2.33。在La₂O₃-TiO₂-ZrO₂非晶粉末烧结过程中, 塑性流动是其主要的传质机理。