專利名稱：Er³⁺,Yb³⁺:Al₂O₃透明陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Er3+，Yb3+IAl2O3透明陶瓷，在Al2O3基透明陶瓷中摻入Er3+、Yb3+， 獲得Er3+、Yb3+摻雜Al2O3透明陶瓷，屬于光學(xué)功能材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
稀土摻雜透明陶瓷能夠作為激光增益介質(zhì)。與單晶、玻璃激光介質(zhì)材料相比，透明陶瓷除了在制備方面有許多優(yōu)點(diǎn)外，還具有陶瓷固有的耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強(qiáng)度等特性，還具有高于玻璃的熱導(dǎo)率、硬度、抗熱沖擊能力，同時(shí)具有玻璃的光學(xué)性能。透明陶瓷將逐步替代單晶光學(xué)材料。
Al2O3基透明陶瓷同樣硬度高、熱導(dǎo)率高、耐磨性高、穩(wěn)定性好、密度高、熱膨脹系數(shù)低，這些優(yōu)點(diǎn)使其能夠承受更強(qiáng)的高能輻射，適用的環(huán)境范圍更廣。例如其熱導(dǎo)率約為YAG 的三倍，這使得Al2O3基透明陶瓷成為一種理想的高效陶瓷閃爍體和高功率激光器激光增益介質(zhì)材料。
公開號(hào)為CN1727303A的一件中國(guó)專利申請(qǐng)公開了 Mg、Ti共摻的Al2O3晶體材料及其透明激光陶瓷的制備方法，由Mg維持Ti保持三價(jià)，該透明陶瓷能夠在790 nm波長(zhǎng)有Ti3+ 的熒光發(fā)射峰。公開號(hào)為CN1778758A的一件中國(guó)專利申請(qǐng)公開了 Cr4+ = Al2O3透明激光陶瓷材料的制備方法，即Cr4+ = Al2O3透明陶瓷，在室溫下用970 nm的泵浦光源對(duì)該陶瓷激光材料進(jìn)行激發(fā)，其熒光發(fā)射波長(zhǎng)從1157 nm到1287 nm，發(fā)射峰位于1220 nm，半高寬為37 nm，因此，該陶瓷材料可用作紅外波段的可調(diào)諧激光介質(zhì)，用作飛秒超快激光器，輸出超短激光脈沖，經(jīng)非線性轉(zhuǎn)換，可輸出600 nm左右的可見光范圍的激光。公開號(hào)為CN101560102A的一件中國(guó)專利申請(qǐng)公開了 C摻雜C1-Al2O3透明陶瓷熱釋光和光釋光材料的制備方法，根據(jù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，C摻雜C1-Al2O3透明陶瓷具有較優(yōu)異的熱釋光特性，在9°Sri3射線輻照下測(cè)得的熱釋峰值位于491 K，該材料可用于輻射劑量測(cè)量材料。
然而，1. 5 μ m波段的激光在醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域、光通訊以及軍事科技領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，Al2O3透明陶瓷的特點(diǎn)恰好也能夠滿足這些領(lǐng)域的特殊要求。發(fā)明內(nèi)容
為了獲得一種Al2O3基透明陶瓷材料，該材料能夠由980 nm的光激發(fā)，發(fā)射1. 53 μ m紅外光，我們發(fā)明了一種Er3+，Yb3+:Al2O3透明陶瓷。
本發(fā)明之Er3+，Yb3+: Al2O3透明陶瓷具有六方晶系結(jié)構(gòu)，在Al2O3晶胞中有三個(gè)六配位的八面體結(jié)構(gòu)，其中二個(gè)八面體被Al占據(jù)，另有一個(gè)空著，其特征在于，所述 Er3+，Yb3+IAl2O3透明陶瓷化學(xué)分子式為(AllTy ErxYby)203，其中x為摻雜離子Er3+的摩爾分量，且O. 005彡X彡O. 04，y為摻雜離子Yb3+的摩爾分量，且y/x=9。
本發(fā)明其技術(shù)效果在于，Er3+，Yb3+IAl2O3透明陶瓷由于具有單一的六方晶系A(chǔ)l2O3 相，而無(wú)其他雜相，見圖1所示；且陶瓷晶粒大小均勻，晶粒粒徑在12 μ m左右，陶瓷組織致密，晶內(nèi)及晶間無(wú)氣孔及雜相產(chǎn)生，見圖2所示，因此，所獲得的Er3+，Yb3+IAl 2O3透明陶瓷具有良好的透明效果。所述透明效果還能夠通過(guò)Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷樣品直觀的透明形態(tài)表現(xiàn)出來(lái)，該樣品被加工為1. 5 mm厚的薄片1，表面拋光，見圖3所示，位于薄片I后面的字跡清晰可見。由于Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷在980 nm激光激發(fā)下具有優(yōu)異的下轉(zhuǎn)換1. 53 μ m紅外光發(fā)射，見圖4所示，因此，本發(fā)明能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)研究和應(yīng)用、光通訊以及軍事科技提供一種理想光學(xué)功能材料，例如，本發(fā)明之Er3+，Yb3+IAl2O3透明陶瓷非常適合用在全光通信網(wǎng)中作為光纖波導(dǎo)放大器，再如，本發(fā)明之Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷還能夠用于全固化1. 53 μπι激光器中。一個(gè)附帶效果是本發(fā)明之Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷同樣在980 nm激光激發(fā)下具有優(yōu)異的550 nm上轉(zhuǎn)換綠光發(fā)射，見圖5所示?？偠灾?，本發(fā)明之Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷所具有的下轉(zhuǎn)換、上轉(zhuǎn)換性能使其成為光電器件、激光器、紅外探測(cè)器、三維立體顯示、生物分子熒光標(biāo)識(shí)、環(huán)境檢測(cè)以及軍事領(lǐng)域中的一種重要光學(xué)功能材料。


圖1是本發(fā)明之Er3+，Yb3+: Al2O3透明陶瓷樣品的XRD譜圖。圖2是本發(fā)明之 Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷樣品拋光表面的SEM形貌照片。圖3是本發(fā)明之Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷樣品經(jīng)拋光加工后直觀的透明形態(tài)示意照片。圖4是本發(fā)明之Er3+，Yb3+IAl2O3透明陶瓷樣品在980nm激光激發(fā)下的下轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜圖，該圖同時(shí)作為摘要附圖。圖5是本發(fā)明之Er3+ = Lu2O3透明陶瓷樣品在980 nm激光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)本發(fā)明之Er3+，Yb3+IAl2O3透明陶瓷的制備進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
摻雜離子Er3+的摩爾分量X的值為下列之一 :0. 005,0. 01,0. 02,0. 03,0. 04 ;對(duì)應(yīng)的Yb3+的摩爾分量y的值為:0. 045,0. 09,0. 18,0. 27,0. 36 ;Er3+，Yb3+= Al2O3透明陶瓷產(chǎn)物中 Er3+摻雜濃度依次為 O. 5 at. %、1. O at.%、2.0 at. %、3· O at. %、4· Oat. %，Yb3+摻雜濃度依次為 4. 5 at. %、9. O at. %、18. O at. %、27· Oat. % >36. Oat. %。現(xiàn)以 Er3+慘雜濃度為1. O at. %、 Yb3+摻雜濃度為9. O at. %的Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷為例，說(shuō)明本發(fā)明之Er3+，Yb3+:Al2O3 透明陶瓷的制備，進(jìn)而說(shuō)明本發(fā)明之Er3+，Yb3+: Al2O3透明陶瓷。原料為商用99. 99%的高純A1203、MgO、Yb2O3和Er2O3,按化學(xué)分子式(Ala9 Er。.CllYbatl9) 203所確定的化學(xué)計(jì)量比稱取 Al2O3^Er2O3 和 Yb2O3,按 MgO: (Al0.9 Er0.01Yb0.09) 203 等于 O. 05% 的質(zhì)量百分比稱取 MgO,混合后再加入乙醇并充分濕磨混合，烘干得混合料。將所述混合料置于高速球磨機(jī)內(nèi)，加入聚乙烯醇做粘結(jié)劑，其加入量為所述混合料的5 wt%，干磨造粒，鋯球球磨24小時(shí)，出粉體混合料。 將所述粉體混合料裝入鋼模中以30 MPa的壓力模壓成型，再經(jīng)200 MPa冷等靜壓成型，得型料。將所述型料放入剛玉坩堝，再置于電阻爐中，隨爐升溫并在1200 °C下煅燒3小時(shí)，得陶瓷素坯。將所述陶瓷素坯置于真空爐中進(jìn)行致密化燒結(jié)，具體工藝為以5 V /min的升溫速率升至1400 °C，保溫2小時(shí)；再以I V /min的升溫速率升至1700 °C ;再以2 V /min 的升溫速率升至1800 °C，保溫10小時(shí)，之后在6小時(shí)內(nèi)冷卻至室溫，此時(shí)獲得透明的Er3+ 含量1. O &七％、￥133+含量9.0 at.%的Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷，其下轉(zhuǎn)換發(fā)光性能、上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能分別見圖4、圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種Er3+，Yb3+ = Al2O3透明陶瓷，具有六方晶系結(jié)構(gòu)，在Al2O3晶胞中有三個(gè)六配位的八面體結(jié)構(gòu)，其中二個(gè)八面體被Al占據(jù)，另有一個(gè)空著，其特征在于，所述Er3+，Yb3+:A1203透明陶瓷化學(xué)分子式為(Alh_y ErxYby) 203，其中X為摻雜離子Er3+的摩爾分量，且·0.005 ^ X ^ 0. 04，y為摻雜離子Yb3+的摩爾分量，且y/x=9。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Er3+，Yb3+= Al2O3透明陶瓷，其特征在于，摻雜離子Er3+的摩爾分量X的值為下列之一 :0. 005,0. 01,0. 02,0. 03,0. 04 ;對(duì)應(yīng)的Yb3+的摩爾分量y的值為:0. 045,0. 09,0. 18,0. 27,0. 36 ；Er3+, Yb3+ = Al2O3透明陶瓷產(chǎn)物中 Er3+摻雜濃度依次為 0. 5at. %、1.0 at. %>2. 0 at. %>3. 0 at. %、4. Oat. %, Yb3+慘雜濃度依次為 4. 5 at. %、9. 0 at. %、·18.0 at. %、27. Oat. %、36. Oat. %。
全文摘要
Er3+,Yb3+:Al2O3透明陶瓷在Al2O3基透明陶瓷中摻入Er3+、Yb3+，獲得Er3+、Yb3+摻雜Al2O3透明陶瓷，屬于光學(xué)功能材料技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有Al2O3基透明陶瓷光學(xué)功能材料其發(fā)光波長(zhǎng)尚不能滿足光電器件、激光器、紅外探測(cè)器、三維立體顯示、生物分子熒光標(biāo)識(shí)以及環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域?qū)?50 nm綠光、1.53 μm紅外光的需求。本發(fā)明之Er3+,Yb3+:Al2O3透明陶瓷具有六方晶系結(jié)構(gòu)，在A12O3晶胞中有三個(gè)六配位的八面體結(jié)構(gòu)，其中二個(gè)八面體被Al占據(jù)，另有一個(gè)空著，其特征在于，所述Er3+,Yb3+:Al2O3透明陶瓷化學(xué)分子式為(Al1-x-y ErxYby)2O3，其中x為摻雜離子Er3+的摩爾分量，且0.005≤x≤0.04，y為摻雜離子Yb3+的摩爾分量，且y/x=9；能夠在980 nm激光激發(fā)下產(chǎn)生550 nm上轉(zhuǎn)換綠光發(fā)射以及1.53 μm下轉(zhuǎn)換紅外光發(fā)射。
文檔編號(hào)C04B35/10GK103030395SQ20121034440
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者米曉云, 張希艷, 柏朝暉, 盧利平, 孫海鷹, 于翔, 王曉春, 王能利, 劉全生 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)