高光學(xué)質(zhì)量Yb:YAG透明陶瓷的制備及激光參數(shù)研究

王晴晴, 石云, 馮亞剛,3, 劉欣,3, 陳昊鴻, 謝騰飛, 李江,3

高光學(xué)質(zhì)量Yb:YAG透明陶瓷的制備及激光參數(shù)研究

王晴晴1,2, 石云1, 馮亞剛1,3, 劉欣1,3, 陳昊鴻1, 謝騰飛1, 李江1,3

(1. 中國(guó)科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所, 透明光功能無(wú)機(jī)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201899; 2. 蚌埠學(xué)院 理學(xué)院, 硅基新材料工程技術(shù)研究中心, 蚌埠 233030; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心, 北京 100049)

以高純Y2O3,-Al2O3, Yb2O3粉體作為原料, 采用固相反應(yīng)和真空燒結(jié)法(1750 ℃, 30 h)制備了高光學(xué)質(zhì)量的Yb:YAG透明陶瓷。5.0at% Yb:YAG陶瓷中Yb3+的實(shí)測(cè)濃度為6.41×1020cm–3, 晶胞密度為4.65 g/cm3。本工作重點(diǎn)研究了Yb:YAG陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)、光譜特性和激光性能參數(shù)。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)結(jié)果表明, Yb:YAG陶瓷的結(jié)構(gòu)均勻致密、晶界干凈平直, 平均晶粒尺寸為(19±3) μm。該陶瓷樣品(厚度為4.0 mm)在400 nm處的直線透過(guò)率為82.5%, 在1100 nm處的透過(guò)率為85.2%。泵浦波長(zhǎng)940 nm處的泵浦飽和光強(qiáng)最小, 激光波長(zhǎng)1030 nm處的泵浦閾值功率最低, 940 nm泵浦1030 nm激光的品質(zhì)因子為1.02×10–22cm·s。通過(guò)計(jì)算增益截面表明Yb:YAG陶瓷寬帶可調(diào)諧, 是理想的激光增益材料。

Yb:YAG陶瓷; 反應(yīng)燒結(jié); 光譜特性; 激光性能參數(shù)

高性能激光增益材料是激光技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的核心與基礎(chǔ), 繼激光晶體和玻璃之后, 透明激光陶瓷作為新一代激光材料引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1]。1995年, Ikesue等[2]用固相反應(yīng)法制備了Nd:YAG透明陶瓷并首次獲得了激光輸出。國(guó)內(nèi)對(duì)透明陶瓷的研究相對(duì)較晚, 2006年, 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所成功制備出高質(zhì)量Nd:YAG透明陶瓷, 并在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了激光輸出[3]。與傳統(tǒng)的Nd:YAG相比, Yb:YAG具有很多優(yōu)勢(shì)[4-7]: 只有一個(gè)激發(fā)態(tài), 因此不存在上轉(zhuǎn)換和激發(fā)態(tài)吸收, 轉(zhuǎn)換效率高; Yb3+的有效離子半徑更接近Y3+, 所以高濃度摻雜時(shí)不會(huì)像Nd3+一樣產(chǎn)生濃度淬滅現(xiàn)象; 吸收帶寬且分布在900到1100 nm之間, 更容易與激光二極管(LD)的泵浦波長(zhǎng)相耦合; 熒光壽命約是Nd:YAG的三倍多。因此Yb:YAG陶瓷的研究引起了國(guó)內(nèi)外的重視。2003年, Takaichi等[8]采用納米晶技術(shù)和真空燒結(jié)法制備了1.0at% Yb:YAG陶瓷, 并首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Yb:YAG陶瓷345 mW的激光輸出。2007年, 吳玉松等[9]制備了高質(zhì)量的Yb:YAG陶瓷, 并采用LD泵浦Yb:YAG陶瓷實(shí)現(xiàn)了268 mW的連續(xù)激光輸出。2013年, Hostasa 等[10]采用固相反應(yīng)燒結(jié)法制備了10.0at% Yb:YAG陶瓷, 實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Yb:YAG陶瓷的6 W激光輸出。2016年, Ikesue等[11]在不添加SiO2等燒結(jié)添加劑的情況下首次成功制備10.0at% Yb:YAG陶瓷, 由該陶瓷制成的薄圓盤激光器最大輸出功率達(dá)到了1.8 kW。在高功率固體激光領(lǐng)域, Yb:YAG陶瓷是比Nd:YAG陶瓷更具有潛力的激光增益介質(zhì)[12]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)Yb:YAG陶瓷已經(jīng)有了大量的研究[13], 但是關(guān)于Yb:YAG陶瓷的激光性能參數(shù)的研究相對(duì)較少, 為了更好地設(shè)計(jì)出高效率和高功率的Yb:YAG陶瓷激光器, 有必要對(duì)高光學(xué)質(zhì)量Yb:YAG陶瓷的激光性能參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本研究選擇固相反應(yīng)加真空燒結(jié)法制備5.0at% Yb:YAG透明陶瓷, 研究陶瓷樣品的顯微結(jié)構(gòu)和光譜特性, 并計(jì)算Yb:YAG陶瓷的吸收截面、發(fā)射截面、增益截面、飽和光強(qiáng)、閾值泵浦功率和品質(zhì)因子等激光性能參數(shù), 為Yb:YAG陶瓷激光器的深入研究和應(yīng)用提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用高純商業(yè)Y2O3、-Al2O3和Yb2O3粉體為原料, 按照化學(xué)計(jì)量(Yb0.05Y0.95)3Al5O12進(jìn)行配比, 以高純MgO和正硅酸乙酯(TEOS)作為燒結(jié)助劑, 以無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì), 混合粉體用行星式球磨機(jī)球磨12 h?；旌蠞{料干燥后過(guò)200目(75mm)篩, 用鋼模在40 MPa下壓制成25 mm的陶瓷素坯, 再用200 MPa進(jìn)行冷等靜壓成型。在高真空鎢絲爐中對(duì)陶瓷素坯進(jìn)行1750 ℃×30 h燒結(jié), 然后在空氣中進(jìn)行1450 ℃×10 h退火處理以消除氧空位和殘余應(yīng)力。得到的Yb:YAG陶瓷雙面拋光至厚度為4.0 mm。

根據(jù)X射線衍射圖譜(XRD, 日本, Rigaku,型號(hào)D/max 2550V, 18kW轉(zhuǎn)耙)計(jì)算陶瓷樣品的晶胞參數(shù); 采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM, 日本, Hitachi, 型號(hào)S-4800)表征商業(yè)初始粉體的形貌, 采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本, Hitachi, 型號(hào)SU8200)表征陶瓷的熱腐蝕拋光表面形貌; 用紫外分光光度計(jì)(美國(guó), Varian, 型號(hào)Cary-5000)表征陶瓷的直線透過(guò)率和吸收光譜; 用熒光光譜儀(英國(guó), Edinburgh Instruments, 型號(hào)FLS980)測(cè)量陶瓷的熒光光譜; Yb:YAG陶瓷中Yb3+的實(shí)際濃度用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó), Agilent,型號(hào)Agilent725)測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

如圖1所示為高純商業(yè)-Al2O3、Y2O3和Yb2O3粉體的FESEM形貌照片。從圖中可以看出,-Al2O3粉體屬于亞微米粉, 粉體顆粒團(tuán)聚少、分散性較好; 而Y2O3和Yb2O3粉體呈片狀, 團(tuán)聚較嚴(yán)重。

圖2為拋光Yb:YAG陶瓷熱腐蝕(1450 ℃, 3 h)后的表面FESEM形貌。在晶界和晶粒內(nèi)觀察不到氣孔的存在, 晶粒分布均勻, 結(jié)構(gòu)致密。通過(guò)截線法統(tǒng)計(jì)了200多個(gè)晶粒的尺寸, 得到陶瓷樣品的平均晶粒尺寸為(19±3) μm。

圖3為Yb:YAG陶瓷的XRD圖譜。利用布拉格方程及立方晶系的晶面間距公式[14]計(jì)算陶瓷的晶胞參數(shù), 公式表示為:

圖1 商業(yè)氧化物粉體的FESEM照片

(a)-Al2O3; (b) Y2O3; (c) Yb2O3

圖2 Yb:YAG陶瓷熱腐蝕表面的FESEM照片

圖3 Yb:YAG陶瓷的XRD圖譜

其中，、、分別為晶面間距、衍射角和晶胞參數(shù),=1為衍射級(jí)數(shù),=0.15406 nm為X射線波長(zhǎng), ()為密勒指數(shù)。通過(guò)擬合所有峰位的衍射角計(jì)算得到Y(jié)b:YAG陶瓷的晶胞參數(shù)為1.20004 nm, 晶胞體積為1.7282×10–21cm3; 根據(jù)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測(cè)得的Yb3+的實(shí)際濃度為6.41×1020cm–3, 計(jì)算得到陶瓷的晶胞密度約為4.65 g/cm3。

圖4為Yb:YAG透明陶瓷(厚度4.0 mm)的直線透過(guò)率曲線。從圖中可以看出, 隨著波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng), Yb:YAG陶瓷在可見(jiàn)光波段的透過(guò)率下降較小, 400 nm處透過(guò)率為82.5%, 在1100 nm處的透過(guò)率為85.2%。在可見(jiàn)光范圍(300~500 nm)出現(xiàn)部分波長(zhǎng)的吸收是由退火不完全導(dǎo)致部分Yb2+殘留引起的。

圖4 Yb:YAG陶瓷的直線透過(guò)率曲線

圖5 YAG晶體中Yb3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)

圖6為Yb:YAG透明陶瓷的吸收截面和發(fā)射截面, 從圖中可以看出主吸收峰分別位于915、940、968和1030 nm, 其中940 nm處的譜線寬度(FWHM)約為20 nm, 說(shuō)明Yb:YAG陶瓷激光器適合LD泵浦且對(duì)LD的光譜帶寬要求不高。主發(fā)射峰分別位于968、1030和1048 nm, 激光波長(zhǎng)1030 nm處的譜線寬度約為11 nm。

吸收系數(shù)可表示為:

式中, 為光密度, L為樣品厚度。

吸收截面可表示為:

發(fā)射截面可利用McCumbei理論計(jì)算[17], 公式表示為:

從圖6中得到泵浦波長(zhǎng)915、940和968 nm處的吸收截面分別為3.22×10–21、7.21×10–21和3.99× 10–21cm2; 激光波長(zhǎng)968、1030和1048 nm處的發(fā)射截面分別為3.23×10–21、19.1×10–21和3.23×10–21cm2。

通過(guò)對(duì)Yb:YAG透明陶瓷的吸收截面和發(fā)射截面可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)激光性能參數(shù), 進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)高功率Yb:YAG陶瓷激光器提供理論依據(jù)。

激光產(chǎn)生過(guò)程中存在增益飽和現(xiàn)象, 當(dāng)入射光強(qiáng)與飽和光強(qiáng)可相比擬時(shí)才會(huì)穩(wěn)態(tài)振蕩輸出激光, 因此小的飽和光強(qiáng)或飽和光通量意味著更容易實(shí)現(xiàn)激光輸出。激光躍遷飽和光通量表示為:

泵浦躍遷飽和光強(qiáng)表示為:

在激光波長(zhǎng)凈透過(guò)時(shí), 激活離子最小分?jǐn)?shù)意味著產(chǎn)生激光所需的最小受激輻射粒子數(shù)所占的比例,小的激活離子最小分?jǐn)?shù)意味著更容易實(shí)現(xiàn)激光輸出。公式表示為:

在不考慮諧振腔損耗的情況下, 達(dá)到泵浦閾值功率時(shí)所需吸收的最小泵浦功率可表示為:

品質(zhì)因子越大意味著更適合固體激光的輸出, 公式表示為[18]:

根據(jù)上述激光性能參數(shù)可求出Yb:YAG的增益截面, 表示為:

其中,為在激光波長(zhǎng)凈透過(guò)時(shí)所需要激發(fā)的激活離子分?jǐn)?shù)。

所有激光發(fā)射波長(zhǎng)中激活離子分?jǐn)?shù)最小值為0.0259, 此時(shí)1048 nm處的增益截面為0。計(jì)算在激活離子分?jǐn)?shù)分別為0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.10時(shí)Yb:YAG陶瓷的增益截面。從圖7中可以看出, 隨著激活離子分?jǐn)?shù)的增加, 增益截面在更大范圍內(nèi)表現(xiàn)為正值, 特別是當(dāng)達(dá)到0.06時(shí), 激光發(fā)射波長(zhǎng)1030 nm處的增益截面由負(fù)值變?yōu)檎? 此時(shí)增益截面保持了約70 nm的正值, 當(dāng)=0.10時(shí)增益截面保持了約80 nm的正值。

3 結(jié)論

采用固相反應(yīng)和真空燒結(jié)法制備了5.0at% Yb:YAG透明陶瓷, 并研究了陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)、光譜特性和激光性能參數(shù)。本研究通過(guò)1750 ℃, 30 h真空燒結(jié)制備得到陶瓷的平均晶粒尺寸為(19±3) μm, 晶胞密度為4.65 g/cm3, 在400 nm處的透過(guò)率達(dá)到82.5%, 陶瓷具有很好的光學(xué)質(zhì)量。通過(guò)計(jì)算不同波長(zhǎng)處的吸收截面和發(fā)射截面, 進(jìn)而計(jì)算了不同激光運(yùn)行機(jī)制下的飽和光強(qiáng)、閾值泵浦功率和品質(zhì)因子等激光參數(shù), 得出Yb:YAG陶瓷激光器中品質(zhì)因子最高的模式為940 nm泵浦1030 nm激光, 其次是968 nm泵浦1030 nm激光。當(dāng)激活粒子分?jǐn)?shù)為=0.06時(shí)增益截面保持了約70 nm的正值, 具有很寬的激光波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍。綜上所述, 高光學(xué)質(zhì)量Yb:YAG透明陶瓷是一種很有應(yīng)用前景的固體激光增益材料。

圖7 Yb:YAG陶瓷的增益截面

表1 不同泵浦波長(zhǎng)和激光波長(zhǎng)處Yb:YAG透明陶瓷的激光性能參數(shù)

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Fabrication and Laser Parameters of Yb:YAG Transparent Ceramics with High Optical Quality

WANG Qing-Qing1,2, SHI Yun1, FENG Ya-Gang1,3, LIU Xin1,3, CHEN Hao-Hong1, XIE Teng-Fei1, LI Jiang1,3

(1. Key Laboratory of Transparent Opto-functional Inorganic Materials, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201899, China; 2. Engineering Technology Research Center for New Silicon-based Materials, Faculty of Science, Bengbu University, Bengbu 233030, China; 3. Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Yb:YAG transparent ceramics with high optical quality were fabricated by solid-state reaction and vacuum sintering method (1750 ℃×30 h) using high-purity Y2O3,-Al2O3and Yb2O3powders as raw materials. The measured concentration of Yb3+in 5.0at% Yb:YAG ceramics is 6.41×1020cm–3, and the cell density is 4.65 g/cm3. The microstructures, spectral characteristics and laser performance parameters of Yb:YAG ceramics were studied in this work. FESEM results show that Yb:YAG ceramics have uniform and compact structure, clean and straight grain boundaries, and the average grain size is about (19±3) μm. The in-line transmittance of Yb:YAG ceramics with thickness of 4.0 mm reaches 82.5% at 400 nm and 85.2% at 1100 nm. The minimum pump saturation light intensity occurs at 940 nm, and the pump threshold power at 1030 nm is the lowest. The quality factor of 1030 nm laser pumped at 940 nm is 1.02×10–22cm·s. By calculating the gain cross section, it is indicated that Yb:YAG ceramics can be tuned broadband, and are ideal laser gain media.

Yb:YAG ceramics; reactive sintering; spectral properties; laser performance parameters

TQ174

A

1000-324X(2020)02-0205-06

10.15541/jim20190077

2019-02-14;

2019-03-21

安徽省教育廳國(guó)內(nèi)訪學(xué)項(xiàng)目(gxgnfx2018059); 蚌埠學(xué)院自然科學(xué)項(xiàng)目(2018ZR06zd); 安徽省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目(KJ2018A0573); 國(guó)家自然科學(xué)基金(61575212); 中國(guó)科學(xué)院前沿基礎(chǔ)重點(diǎn)項(xiàng)目(QYZDB-SSW-JSC022)

Domestic Visiting Program of Anhui Education Department (gxgnfx2018059); Natural Science Project of Bengbu University (2018ZR06zd); Natural Science Project of Anhui Education Department (KJ2018A0573); National Natural Science Foundation of China (61575212); Key Research Project of the Frontier Science of the Chinese Academy of Sciences (QYZDB-SSW-JSC022)

王晴晴(1985–), 女, 博士, 講師. E-mail: sunny3406@163.com

WANG Qing-Qing (1985–), female. PhD, lecturer. E-mail: sunny3406@163.com

李江, 研究員. E-mail: lijiang@mail.sic.ac.cn

LI Jiang, professor. E-mail: lijiang@mail.sic.ac.cn