專利名稱：摻Yb³⁺的氧化鑭釔上轉換發光透明激光陶瓷的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種摻Yb3+的氧化鑭釔上轉換發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領域。
技術背景近幾年透明陶瓷Nd:YAG的激光輸出功率和斜效率都達到或超過同類單晶的水 平。繼YAG透明陶瓷獲得激光輸出后，納米粉真空燒結技術對制備/^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、光學和機械性能，是一種非常有前景 的固態激光材料。ReA的熱導率高，聲子能量低，低的聲子能量可以抑制無輻射躍 遷的幾率，提高輻射躍遷的幾率，從而提高發光量子效率。其中Y203的熱導率是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，能級結構簡單，只有卞7/2和卞5/2兩個能級， 其吸收帶在0.9 1.0um波長范圍，具有寬的吸收帶寬，能與InGaAs半導體抽運光源 有效耦合；此外，摻Yb3+的激光材料不存在激發態吸收，熒光效率高，熒光壽命長。 因此摻Yb3+的激光材料引起了人們廣泛的興趣。Nakazawa E.和Shionoya S.在研究化學計量化合物YbP04中首次觀察到Yb"離子 對在藍綠光波段的合作上轉換發光行為。上轉換發光本質上是一種反Stokes發光， Yb3+離子對不是通過激發態吸收的方式實現合作上轉換熒光的，而是由處于激發態的 二個Yb"離子互相耦合同時退激發到基態實現的，即由Yb (2F5/2) +Yb (2F5/2) —Yb (2F7/2) +Yb (2F7/2) +hv完成Yb"離子對合作上轉換發光。由于Yb"離子對合作上轉換發光可 用于開發光學雙穩態和光快速計算以及藍綠光波段激光器件等新型光學器件，其中藍 綠光波段激光材料在高密度數據存儲、海底通信、大屏幕顯示、半導體檢測、熒光防 偽、激光醫療、激光誘導等領域有著潛在的應用前景，近年來Yb3+離子對合作上轉換 在藍綠光波段的發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Yb3+離子對發光行為。Yb3+離子對在Yb:YAG晶體中第一次 實現了 485nm藍光激光輸出。對Yb:Re203 (Re=Y, Lu, Sc, Gd)材料而言，基質材料中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+離子對合作上轉換發光，如在 Yb:Sc203晶體或陶瓷中易發生Yb"離子對合作上轉換發光(S,半徑為74.5pm)。而對 于Yb:Y203和Yb:Lu203等基質材料，Y"離子半徑(89. 3pm)和Lu"離子半徑(86. lpm) 比Sc"離子半徑大，當Yb"含量較低時，Yb:Y20jn Yb:Lu203不易產生離子對合作上轉 換發光，只有在Yb"含量較高時(Yb3+》3~5mol%)才容易出現Yt)3+離子對合作上轉換 發光。而當Yb"含量過高時(YbW》15 25molM)會出現濃度猝滅，其對紅外1. (Tl. 1 u m 波段的發光不利；研究表明這種濃度猝滅同樣會使Yb"離子對在47(T490nm波段的合 作上轉換發光強度下降，因此單純采用提高Yb"摻雜量來提高Yb"離子對發光強度及 效率是不可行的。氧化鑭釔透明陶瓷，其化學式為Y2—2xLa2x03(x=0. 01-0. 30)，該組成由于含有La203 化合物，使103透明陶瓷的高溫熱穩定性得到改善，同時實現了 ￥203基透明陶瓷的低 溫單相燒結，即當x=4-20moiy。時，燒結溫度在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， 而一般不會占據La"的格位。這樣一方面導致Yb3+離子間的間距變大，不易形成Yb" 離子對合作上轉換發光；但另一方面隨著La203含量的增加，又使得Yb"占據丫3+格位 的濃度相對增大，Yb"易形成Yb3+離子團簇，使摻Yt)3+的氧化鑭釔透明陶瓷出現Yb3+ 離子對合作上轉換發光，因此摻Yb3+的氧化鑭釔透明陶瓷，隨著La203含量的變化， 可調節成為一種新型的在470 490nm藍綠光波段的上轉換激光材料。 發明內容本發明的目的是提供一種摻Yb"的氧化鑭釔丫2-2丄&03上轉換發光透明激光陶瓷的 制備方法。本發明又一目的是通過調節La203的含量，改善丫^離子在丫203基單晶和透明陶瓷中Yb3+離子對合作上轉換發光強度低的缺點，而使Yb"在Y2-2上32x03系統中隨著xaaA)含量的增加，從而大幅度提高Yb3+離子對合作上轉換發光強度；同時激 活離子Yb3+含量在一定組成范圍內增加，Yb3+離子對合作上轉換發光強度也得到增加。 本發明一種摻Yt)3+的氧化鑭釔上轉換發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，三者的質量配比按化學分子式Y2-2^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，放置于球磨機內，進行混合研磨，球磨時間為24 小時；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溫度下預燒5小時；再放入球磨 機中球磨24小時；d) 經150'C溫度烘干后，加入5wt呢的PVA聚乙烯醇粘結劑進行造粒；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進行燒結，燒結時間為3~30 小時，最終獲得致密透明的Yb:Y2-2,La2x03(SP Y2-2rfyLa2xYb2,03)上轉換發光透明 激光陶瓷。本發明方法最終制得的Yb: Y2-2xLa2ABP Y2-2x-2yLa2xYb2y03)上轉換發光透明激光 陶瓷，其中的fO. 02~0.20， y=0.02 0. 15。當x》0. 12， y》0.05時，Yb:Y2-2,La2x03(^ Y2-2x-2yLa2lYb2,03)具有合作上轉換發光性能。


圖1為本發明(Yb。.。5Y。.95-,Lai) A透明陶瓷上轉換熒光光譜圖具體實施方式
現將本發明的具體實施例敘述于后。 實施例1本實施例的具體工藝過程和步驟如下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 者的質量配比按化學分子式Y2-^LaJb2y03為依據，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，放置于球磨機內，進行混合研磨，球磨時間為24 小時，；出料后，在150'C溫度下烘干；3. 然后放置于煅燒爐中于120(TC溫度下預燒5小時，隨后粉料再放入球磨機中 球磨24小時；4. 經150'C溫度烘干后，加入5wt。/。的PVA粘結劑進行造粒；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粘結劑；最后放入鉬絲爐中，在還原 氣氛下于1600'C進行燒結，燒結時間為10小時，最終獲得致密透明的Yb:Y2—2上&03(即Y2-h-2山a2xYb2y03)激光陶瓷。實施例2本實施例的工藝步驟與上述實施例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;燒結溫度為1500'C;燒結時間為10小時；最終獲得致密透明的 Yb: Y2—2xLa2A (即Y2-2x—2yLa2xYb2y03)激光陶瓷。 實施例3本實施例的工藝步驟與上述實施例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;燒結溫度為1400。C;燒結時間為10小時；最終獲得致密透明的 Yb:Y2—2xLa2AUP Y2-2x—2yLa2l!Yb2y03)激光陶瓷。 實施例4本實施例的工藝步驟與上述實施例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;燒結溫度為1350°C;燒結時間為10小時；最終獲得致密透明的 Yb :Y2-2xLa2x03 (即Y2—2,-2yLa2lYb2y03)激光陶瓷。 實施例5本實施例的工藝步驟與上述實施例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;燒結溫度為145CTC;燒結時間為10小時；最終獲得致密透明的 Yb: Y2—2xLa2x03 (即Y2—2x—2yLa2xYb2y03)激光陶瓷。對Y2-2,力La2,Yb2y03透明多晶體作光譜性能檢領！1,其吸收光譜和熒光發射光譜均顯示出 與Yb:Y203相同的激光光譜性能。同時本實施例3、 4的透明陶瓷由于摻入了較高的 La203， Yb"在Y2—2丄^03系統中隨著x (LaA)含量的增加，從而大幅度提高Yt)3+離子 對合作上轉換發光強度，它們的合作上轉換熒光光譜如圖1所示。同時本實施例5 中激活離子Yb3+含量在一定組成范圍增加，Yb3+離子對合作上轉換發光強度也得到增 力口。可用作合作上轉換470 490nm波段固體激光介質。
權利要求
1.一種摻Yb3+的氧化鑭釔上轉換發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，三者的質量配比按化學分子式Y2-2x-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，放置于球磨機內，進行混合研磨，球磨時間為24小時；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℃溫度下預燒5小時；再放入球磨機中球磨24小時；d)經150℃溫度烘干后，加入5wt％的PVA聚乙烯醇粘結劑進行造粒；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℃進行燒結，燒結時間為3--30小時，最終獲得致密透明的Yb:Y2-2xLa2xO3(即Y2-2x-2yLa2xYb2yO3)上轉換發光透明激光陶瓷。
全文摘要
本發明涉及一種摻Yb³⁺的氧化鑭釔上轉換發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領域。本發明方法采用高純度Y₂O₃、La₂O₃和Yb₂O₃為原料，(也可采用納米粉體為原料)，三者的質量配比按化學分子式Y_2-2x-2yLa_2xYb_2yO₃為依據，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，放置于球磨機內研磨24小時；隨后干燥；再放置于煅燒爐中于1000～1300℃溫度下預燒5小時；再放入球磨機中球磨24小時；然后加入5wt％的PVA聚乙烯醇粘結劑進行造粒，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3~30小時，最終獲得摻Yb³⁺的氧化鑭釔上轉換發光透明陶瓷激光陶瓷。
文檔編號C04B35/50GK101148357SQ20071004600
公開日2008年3月26日 申請日期2007年9月13日 優先權日2007年9月13日
發明者軍 徐, 楊秋紅 申請人:上海大學