1 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 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
3 3.上海师范大学 物理系, 上海 200234
Ce:SrHfO3陶瓷因具有高密度和高有效原子序数, 对高能射线具有很强的阻止能力。同时, Ce:SrHfO3陶瓷还具有快衰减和高能量分辨率等优异的闪烁性能, 引起了研究人员的广泛关注。由于传统的烧结方法难以实现非立方结构Ce:SrHfO3陶瓷的透明化, 本研究采用真空长时烧结和短时真空预烧结合热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing, HIP)方法制备Ce,Y:SrHfO3陶瓷。以金属氧化物和碳酸盐为原料, 1200 ℃下煅烧8 h可以获得平均粒径为152 nm的纯相Ce,Y:SrHfO3粉体。1800 ℃真空烧结20 h获得平均晶粒尺寸为28.6 μm的不透明的Ce,Y:SrHfO3陶瓷, 而两步烧结法可以制备光学透过率良好的Ce,Y:SrHfO3陶瓷。本研究详细分析了陶瓷致密化过程中微结构的演变, 探究了预烧结温度对Ce,Y:SrHfO3陶瓷密度、显微结构和光学透过率的影响。真空预烧(1500 ℃×2 h)结合HIP后处理(1800 ℃×3 h, 200 MPa Ar)所获得的Ce,Y:SrHfO3陶瓷在800 nm处的最高直线透过率为21.6%, 平均晶粒尺寸仅为3.4 μm。在X射线激发下, Ce,Y:SrHfO3陶瓷在400 nm处产生Ce3+ 5d-4f发射峰, 其XEL积分强度比商用锗酸铋(BGO)晶体高3.3倍, Ce,Y:SrHfO3陶瓷在1 μs门宽下的光产额约为3700 ph/MeV。良好的光学和闪烁性能可以拓宽Ce,Y:SrHfO3陶瓷在闪烁探测领域的应用。
1 1.江苏大学 材料科学与工程学院, 镇江212013
2 2.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
3 3.华北光电技术研究所 固体激光科学与技术实验室, 北京100015
4 4.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
Yb:YAG透明陶瓷由于具有宽的吸收带和发射带、高增益、低的热负载、长的荧光寿命、高的量子效率等优点而成为有应用前景的高功率固体激光器用增益介质。本研究优化了粉体的性能并制备了高透明的Yb:YAG陶瓷。以碳酸氢铵为沉淀剂, 分别以纯水或乙醇/水混合物为溶剂, 采用共沉淀法合成了5at%Yb:YAG纳米粉体。在1250 ℃下煅烧4 h得到的所有粉体均为纯YAG相。与纯水溶剂制备的粉体相比, 醇水溶剂制备的粉体具有更小的平均晶粒尺寸和更低的团聚程度。以醇水溶剂制备的粉体为原料, 采用真空烧结法在不添加烧结助剂的情况下成功制备了5at%Yb:YAG透明陶瓷, 并对1500~1825 ℃烧结20 h和1800 ℃烧结10~50 h所得陶瓷的微观结构和直线透过率进行了探究。除在1825 ℃下烧结20 h所得的陶瓷外, 其余的5at%Yb:YAG陶瓷都具有均匀的微观结构。在1800 ℃下烧结50 h制备的5at%Yb:YAG陶瓷具有最高的光学质量, 在1100和400 nm处的直线透过率分别为78.6%和76.7%(样品厚度为2.2 mm)。该Yb:YAG透明陶瓷在937 nm处的吸收截面为5.03×10-21 cm2, 在1031 nm处的发射截面为13.48×10-21cm2。
Yb:YAG透明陶瓷 醇水共沉淀法 真空烧结 微观结构 光学性能 Yb:YAG transparent ceramic alcohol-water co-precipitation vacuum sintering microstructure optical property
1 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 2.中国科学院大学, 材料与光电研究中心, 北京 100049
3 3.意大利国家研究委员会 国立光学研究所, 佛罗伦萨 50019
4 4.意大利国家研究委员会 “Carrara”应用物理研究所, 佛罗伦萨 50019
Nd:Lu2O3材料由于具有高热导率、低声子能量和优异的光学特性而成为非常有前景的高功率固体激光器用的增益介质。但Lu2O3单晶的熔点超过2400 ℃, 难以生长, 而Lu2O3陶瓷既能在低温下制备, 又具有与晶体相当的光学性质和激光性能从而备受关注。本研究制备了高透明的Nd:Lu2O3陶瓷并对其光学性质和激光性能进行探究。以共沉淀法制备的纳米粉体为原料, 采用真空烧结结合热等静压(HIP)两步烧结法制备了1.0at%Nd:Lu2O3透明陶瓷。对制备的粉体、素坯和陶瓷的微结构进行了表征: HIP后处理的陶瓷平均晶粒尺寸是724.2 nm。厚度为1.0 mm的1.0at%Nd:Lu2O3透明陶瓷在1100 nm处的直线透过率是82.4%, 样品在806 nm处的吸收截面为1.50´10-20 cm2, 而根据荧光光谱计算得到的发射截面为6.5´10-20 cm2。分别在878.8 和895.6 nm波长激发下, 1.0at%Nd:Lu2O3透明陶瓷4F3/2·4I11/2跃迁的平均荧光寿命均为169 ms。当输出耦合镜的透过率TOC=2.0%时, 退火后的1.0at% Nd:Lu2O3透明陶瓷获得了最大输出功率为0.47 W的准连续(QCW)激光输出, 斜率效率为8.7%。本研究成功制备了显微结构均匀、高透明度的1.0at%Nd:Lu2O3陶瓷, 并展示了其在固体激光增益介质领域的广阔应用潜力。
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 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京100049
在制备透明陶瓷时, 广泛采用烧结助剂来提升陶瓷的光学质量。但烧结助剂的添加可能会恶化陶瓷的发光性能。本研究采用真空预烧结合热等静压烧结制备了0.25at%Pr:LuAG闪烁陶瓷, 研究了微量SiO2烧结助剂对陶瓷光学及闪烁性能的影响。结果表明, 添加少于200 ppm的微量SiO2(1 ppm表示添加量为1×10-6 g/g)能有效促进热等静压过程中气孔的排出, 有效提升了Pr:LuAG陶瓷的光学性能。150 ppm SiO2添加的Pr:LuAG陶瓷在400 nm处的直线透过率约为77%。同时研究了预烧温度及时间对Pr:LuAG陶瓷光学性能的影响。在实现完全闭气孔结构时, 进一步升高预烧温度或延长保温时间会降低热等静压过程中的致密化速率, 不利于气孔的排出, 从而降低了Pr:LuAG陶瓷的光学质量。此外, 添加微量SiO2对Pr:LuAG陶瓷闪烁性能的影响较小。添加微量SiO2结合热等静压烧结是制备Pr掺杂石榴石闪烁陶瓷的有效途径。
Pr:LuAG陶瓷 烧结助剂 光学质量 闪烁性能 Pr:LuAG ceramics sintering aids optical quality scintillation property
