Er-CaF2激光陶瓷的制備和性能研究.pdf

1、透明陶瓷與單晶材料相比具有成本低、摻雜含量高等優(yōu)勢而成為固態(tài)激光介質(zhì)發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前激光透明陶瓷采用的材料主要為立方晶系的氧化物和氟化物，其中氟化物中的氟化鈣(CaF2)由于具有透過范圍寬、折射率低、聲子能量低、損傷閾值高而受到廣泛重視。稀土離子Er3+對于處于人眼安全范圍內(nèi)的1.5μm和2.7-3μm波段的激光均具有發(fā)光通道，同時(shí)其上轉(zhuǎn)換能級也較為豐富，因此以CaF2為基質(zhì)制備Er：CaF2激光陶瓷在諸如光通信、醫(yī)療、激光探測

2、和測距、以及上轉(zhuǎn)換發(fā)光領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在本論文中首先采用濕化學(xué)法合成CaF2和Er：CaF2納米粉末；然后以所得納米粉末為原料粉末，采用熱壓和熱等靜壓法制備CaF2透明陶瓷、采用熱壓法制備Er：CaF2激光透明陶瓷、并對Er：CaF2激光透明陶瓷的放電等離子法(SPS)制備進(jìn)行了初步探索。
　　 首先進(jìn)行了采用化學(xué)沉淀法合成純相CaF2納米粉末的研究。分別探索了兩種不同的合成工藝：反相膠團(tuán)法和直接化學(xué)沉淀法。所得粉末采用

3、XRD、FE-SEM和TEM進(jìn)行了表征。采用反相膠團(tuán)法中，主要研究了反應(yīng)物濃度、表面活性劑與助表面活性劑的摩爾比和水與表面活性劑的摩爾比三個(gè)因素對所得粉末的影響：隨著反應(yīng)物濃度、助表面活性劑和水相對含量的增加，所得CaF2粉末的晶粒尺寸逐漸增加，歸因于反相膠團(tuán)“微反應(yīng)器”受到破壞；反相膠團(tuán)法制備的粉末晶粒介于20-40 nm，為球形形貌，團(tuán)聚較輕，然而，在制備過程中需要使用表面活性劑和有機(jī)溶劑，成本高，操作復(fù)雜，且制備所得納米粉末量很小

4、。
　　 直接沉淀法制備CaF2粉末主要考察了過飽和比(SR)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。利用TEM和激光粒度分析儀分析了過飽和比對晶粒尺寸、形貌和團(tuán)聚程度的影響：當(dāng)過飽和比低于a3時(shí)，晶粒為完整的立方體，隨過飽和比的增加，晶粒尺寸增加，在SR=a3時(shí)，晶粒平均尺寸約為1μm；過飽和比超過a3后，晶粒形貌開始逐漸變?yōu)榻贫嗝嫘?、圓形或不規(guī)則外形，晶粒大小也隨之變??；粉末的顆粒粒度分布顯示在過飽和比小于a7時(shí)團(tuán)聚較輕。
　　 陳化時(shí)

5、間對CaF2晶粒尺寸和形貌也有顯著的影響：在過飽和比為a7時(shí)所合成的粉末陳化0天、1天、12天和30天后的平均晶粒尺寸分別為46.55 nm、87.37 nm、98.65 nm和110.53nm；在粉末合成后的24小時(shí)內(nèi)晶粒的生長速率是最高的。隨陳化時(shí)間的延長，晶粒的形貌由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅巍?br>　　 研究了Er離子摻雜對CaF2粉末制備的影響。在摻雜濃度為10％時(shí)，過飽和比小于a4時(shí)，晶粒尺寸隨過飽和比的增加而增加，晶粒形貌為立方

6、體；過飽和比大于a4時(shí)，晶粒尺寸隨過飽和比的增加而減小，晶粒形貌由立方體向圓形或不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)變；在同樣過飽和比條件下，摻雜后粉末的團(tuán)聚程度強(qiáng)于未摻雜粉末。隨摻雜濃度的增加，所得納米粉末晶粒尺寸減小、晶格常數(shù)增加、熒光強(qiáng)度減弱。
　　 CaF2透明陶瓷制備研究表明：熱壓燒結(jié)所得CaF2陶瓷易碎且不透明，溫度越高，滲碳越嚴(yán)重；以x％LiF為燒結(jié)助劑，熱壓燒結(jié)CaF2仍易破碎，但隨著燒結(jié)溫度從W1℃到W3℃，透過率增加，而W4℃和W5

7、℃燒結(jié)樣品由于滲碳而不透明。采用真空燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓后處理的方法，分別添加x％的NaF和LiF為燒結(jié)助劑，所得陶瓷的透過率在1100nm處分別為26％和39％，晶粒尺寸分別為50-100μm和200-300μm；NaF和LiF均固溶于CaF2基質(zhì)中，使其晶格常數(shù)增加。無論采用熱壓還是熱等靜壓，所得材料內(nèi)部均很有一定數(shù)量的氣孔，導(dǎo)致透過率不高。
　　 采用熱壓燒結(jié)制備Er：CaF2激光透明陶瓷：在不同溫度下制備5％Er：CaF2的

8、研究表明，T4℃是較合適的燒結(jié)溫度；不同摻雜含量對Er：CaF2陶瓷的透過率影響較大，低摻雜含量(1％)透過率較低，高摻雜含量(5％，7％和10％)利于透過率的提高。熒光分析顯示低摻雜含量時(shí)以綠光為主，高摻雜含量時(shí)則以綠光和紅光為主，藍(lán)光有所增強(qiáng)；分析樣品厚度對透光率的影響，推導(dǎo)出5％Er：CaF2的衰減系數(shù)為1.6545 cm-1，歸因于滲碳所引入的碳元素。1％LiF的加入提高了陶瓷的透過率，厚度為1mm的5％Er：CaF2-x％Li