高光学质量Yb:YAG透明陶瓷的制备及激光参数研究

王晴晴, 石云, 冯亚刚,3, 刘欣,3, 陈昊鸿, 谢腾飞, 李江,3

高光学质量Yb:YAG透明陶瓷的制备及激光参数研究

王晴晴1,2, 石云1, 冯亚刚1,3, 刘欣1,3, 陈昊鸿1, 谢腾飞1, 李江1,3

(1. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899; 2. 蚌埠学院 理学院, 硅基新材料工程技术研究中心, 蚌埠 233030; 3. 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049)

以高纯Y2O3,-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Yb3+的实测浓度为6.41×1020cm–3, 晶胞密度为4.65 g/cm3。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1.02×10–22cm·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。

Yb:YAG陶瓷; 反应烧结; 光谱特性; 激光性能参数

高性能激光增益材料是激光技术发展和应用的核心与基础, 继激光晶体和玻璃之后, 透明激光陶瓷作为新一代激光材料引起了国内外的广泛关注[1]。1995年, Ikesue等[2]用固相反应法制备了Nd:YAG透明陶瓷并首次获得了激光输出。国内对透明陶瓷的研究相对较晚, 2006年, 中国科学院上海硅酸盐研究所成功制备出高质量Nd:YAG透明陶瓷, 并在国内首次实现了激光输出[3]。与传统的Nd:YAG相比, Yb:YAG具有很多优势[4-7]: 只有一个激发态, 因此不存在上转换和激发态吸收, 转换效率高; Yb3+的有效离子半径更接近Y3+, 所以高浓度掺杂时不会像Nd3+一样产生浓度淬灭现象; 吸收带宽且分布在900到1100 nm之间, 更容易与激光二极管(LD)的泵浦波长相耦合; 荧光寿命约是Nd:YAG的三倍多。因此Yb:YAG陶瓷的研究引起了国内外的重视。2003年, Takaichi等[8]采用纳米晶技术和真空烧结法制备了1.0at% Yb:YAG陶瓷, 并首次实现了LD泵浦Yb:YAG陶瓷345 mW的激光输出。2007年, 吴玉松等[9]制备了高质量的Yb:YAG陶瓷, 并采用LD泵浦Yb:YAG陶瓷实现了268 mW的连续激光输出。2013年, Hostasa 等[10]采用固相反应烧结法制备了10.0at% Yb:YAG陶瓷, 实现了LD泵浦Yb:YAG陶瓷的6 W激光输出。2016年, Ikesue等[11]在不添加SiO2等烧结添加剂的情况下首次成功制备10.0at% Yb:YAG陶瓷, 由该陶瓷制成的薄圆盘激光器最大输出功率达到了1.8 kW。在高功率固体激光领域, Yb:YAG陶瓷是比Nd:YAG陶瓷更具有潜力的激光增益介质[12]。

目前国内外对Yb:YAG陶瓷已经有了大量的研究[13], 但是关于Yb:YAG陶瓷的激光性能参数的研究相对较少, 为了更好地设计出高效率和高功率的Yb:YAG陶瓷激光器, 有必要对高光学质量Yb:YAG陶瓷的激光性能参数进行系统的研究。本研究选择固相反应加真空烧结法制备5.0at% Yb:YAG透明陶瓷, 研究陶瓷样品的显微结构和光谱特性, 并计算Yb:YAG陶瓷的吸收截面、发射截面、增益截面、饱和光强、阈值泵浦功率和品质因子等激光性能参数, 为Yb:YAG陶瓷激光器的深入研究和应用提供理论支持。

1 实验方法

采用高纯商业Y2O3、-Al2O3和Yb2O3粉体为原料, 按照化学计量(Yb0.05Y0.95)3Al5O12进行配比, 以高纯MgO和正硅酸乙酯(TEOS)作为烧结助剂, 以无水乙醇为球磨介质, 混合粉体用行星式球磨机球磨12 h。混合浆料干燥后过200目(75mm)筛, 用钢模在40 MPa下压制成25 mm的陶瓷素坯, 再用200 MPa进行冷等静压成型。在高真空钨丝炉中对陶瓷素坯进行1750 ℃×30 h烧结, 然后在空气中进行1450 ℃×10 h退火处理以消除氧空位和残余应力。得到的Yb:YAG陶瓷双面抛光至厚度为4.0 mm。

根据X射线衍射图谱(XRD, 日本, Rigaku,型号D/max 2550V, 18kW转耙)计算陶瓷样品的晶胞参数; 采用场发射扫描电子显微镜(FESEM, 日本, Hitachi, 型号S-4800)表征商业初始粉体的形貌, 采用场发射扫描电子显微镜(日本, Hitachi, 型号SU8200)表征陶瓷的热腐蚀抛光表面形貌; 用紫外分光光度计(美国, Varian, 型号Cary-5000)表征陶瓷的直线透过率和吸收光谱; 用荧光光谱仪(英国, Edinburgh Instruments, 型号FLS980)测量陶瓷的荧光光谱; Yb:YAG陶瓷中Yb3+的实际浓度用电感耦合等离子体发射光谱仪(美国, Agilent,型号Agilent725)测量。

2 结果与讨论

如图1所示为高纯商业-Al2O3、Y2O3和Yb2O3粉体的FESEM形貌照片。从图中可以看出,-Al2O3粉体属于亚微米粉, 粉体颗粒团聚少、分散性较好; 而Y2O3和Yb2O3粉体呈片状, 团聚较严重。

图2为抛光Yb:YAG陶瓷热腐蚀(1450 ℃, 3 h)后的表面FESEM形貌。在晶界和晶粒内观察不到气孔的存在, 晶粒分布均匀, 结构致密。通过截线法统计了200多个晶粒的尺寸, 得到陶瓷样品的平均晶粒尺寸为(19±3) μm。

图3为Yb:YAG陶瓷的XRD图谱。利用布拉格方程及立方晶系的晶面间距公式[14]计算陶瓷的晶胞参数, 公式表示为:

图1 商业氧化物粉体的FESEM照片

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

图2 Yb:YAG陶瓷热腐蚀表面的FESEM照片

图3 Yb:YAG陶瓷的XRD图谱

其中，、、分别为晶面间距、衍射角和晶胞参数,=1为衍射级数,=0.15406 nm为X射线波长, ()为密勒指数。通过拟合所有峰位的衍射角计算得到Yb:YAG陶瓷的晶胞参数为1.20004 nm, 晶胞体积为1.7282×10–21cm3; 根据电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测得的Yb3+的实际浓度为6.41×1020cm–3, 计算得到陶瓷的晶胞密度约为4.65 g/cm3。

图4为Yb:YAG透明陶瓷(厚度4.0 mm)的直线透过率曲线。从图中可以看出, 随着波长向短波方向移动, Yb:YAG陶瓷在可见光波段的透过率下降较小, 400 nm处透过率为82.5%, 在1100 nm处的透过率为85.2%。在可见光范围(300~500 nm)出现部分波长的吸收是由退火不完全导致部分Yb2+残留引起的。

图4 Yb:YAG陶瓷的直线透过率曲线

图5 YAG晶体中Yb3+的能级结构

图6为Yb:YAG透明陶瓷的吸收截面和发射截面, 从图中可以看出主吸收峰分别位于915、940、968和1030 nm, 其中940 nm处的谱线宽度(FWHM)约为20 nm, 说明Yb:YAG陶瓷激光器适合LD泵浦且对LD的光谱带宽要求不高。主发射峰分别位于968、1030和1048 nm, 激光波长1030 nm处的谱线宽度约为11 nm。

吸收系数可表示为:

式中, 为光密度, L为样品厚度。

吸收截面可表示为:

发射截面可利用McCumbei理论计算[17], 公式表示为:

从图6中得到泵浦波长915、940和968 nm处的吸收截面分别为3.22×10–21、7.21×10–21和3.99× 10–21cm2; 激光波长968、1030和1048 nm处的发射截面分别为3.23×10–21、19.1×10–21和3.23×10–21cm2。

通过对Yb:YAG透明陶瓷的吸收截面和发射截面可以进一步预测激光性能参数, 进而对设计高功率Yb:YAG陶瓷激光器提供理论依据。

激光产生过程中存在增益饱和现象, 当入射光强与饱和光强可相比拟时才会稳态振荡输出激光, 因此小的饱和光强或饱和光通量意味着更容易实现激光输出。激光跃迁饱和光通量表示为:

泵浦跃迁饱和光强表示为:

在激光波长净透过时, 激活离子最小分数意味着产生激光所需的最小受激辐射粒子数所占的比例,小的激活离子最小分数意味着更容易实现激光输出。公式表示为:

在不考虑谐振腔损耗的情况下, 达到泵浦阈值功率时所需吸收的最小泵浦功率可表示为:

品质因子越大意味着更适合固体激光的输出, 公式表示为[18]:

根据上述激光性能参数可求出Yb:YAG的增益截面, 表示为:

其中,为在激光波长净透过时所需要激发的激活离子分数。

所有激光发射波长中激活离子分数最小值为0.0259, 此时1048 nm处的增益截面为0。计算在激活离子分数分别为0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.10时Yb:YAG陶瓷的增益截面。从图7中可以看出, 随着激活离子分数的增加, 增益截面在更大范围内表现为正值, 特别是当达到0.06时, 激光发射波长1030 nm处的增益截面由负值变为正值, 此时增益截面保持了约70 nm的正值, 当=0.10时增益截面保持了约80 nm的正值。

3 结论

采用固相反应和真空烧结法制备了5.0at% Yb:YAG透明陶瓷, 并研究了陶瓷的显微结构、光谱特性和激光性能参数。本研究通过1750 ℃, 30 h真空烧结制备得到陶瓷的平均晶粒尺寸为(19±3) μm, 晶胞密度为4.65 g/cm3, 在400 nm处的透过率达到82.5%, 陶瓷具有很好的光学质量。通过计算不同波长处的吸收截面和发射截面, 进而计算了不同激光运行机制下的饱和光强、阈值泵浦功率和品质因子等激光参数, 得出Yb:YAG陶瓷激光器中品质因子最高的模式为940 nm泵浦1030 nm激光, 其次是968 nm泵浦1030 nm激光。当激活粒子分数为=0.06时增益截面保持了约70 nm的正值, 具有很宽的激光波长可调谐范围。综上所述, 高光学质量Yb:YAG透明陶瓷是一种很有应用前景的固体激光增益材料。

图7 Yb:YAG陶瓷的增益截面

表1 不同泵浦波长和激光波长处Yb:YAG透明陶瓷的激光性能参数

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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

安徽省教育厅国内访学项目(gxgnfx2018059); 蚌埠学院自然科学项目(2018ZR06zd); 安徽省教育厅自然科学项目(KJ2018A0573); 国家自然科学基金(61575212); 中国科学院前沿基础重点项目(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, 讲师. E-mail: sunny3406@163.com

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

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

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