本文關鍵詞：鐿摻雜石榴石基平面波導激光陶瓷的制備與性能研究　出處：《江蘇大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 激光陶瓷 Yb摻雜 非水基流延成型 平面波導 離子擴散

【摘要】：面向高功率、高效率、高光束質量的全固態(tài)激光器的不斷發(fā)展,激光增益介質熱效應是限制其發(fā)展的主要因素,因此有必要對激光材料的組成分布進行優(yōu)化設計。平面波導結構利用其獨特的結構設計能夠有效地減小熱效應,還能實現低閾值、高功率激光輸出。相比于單晶,激光陶瓷的結構可設計性強,易實現多種應用。通過流延成型方法結合真空燒結技術,就可以在陶瓷制備過程中得到平面波導結構。在眾多稀土離子摻雜的石榴石基質的激光陶瓷中,Yb:YAG透明陶瓷具有單位面積增益高;吸收帶寬,無需嚴格的溫度控制即可獲得合適的泵浦源波長,實現高濃度摻雜且沒有濃度猝滅效應等優(yōu)異的性能,而且目前激光二極管(LD)的泵浦功率不斷提高也解決了早期Yb:YAG泵浦閾值高,不易泵浦的缺點。平面波導Yb:YAG透明陶瓷成為了高功率、高效率固體激光器的理想增益介質。然而,隨著Yb離子在YAG中摻雜濃度的增加,Yb:YAG的熱導率會驟然下降,當基質為LuAG時,隨Yb3+離子摻雜濃度的增加,Yb:LuAG熱導率下降緩慢,且當Yb離子摻雜濃度超過5at.%時,Yb:LuAG的熱導率比Yb:YAG的高。Yb:LuAG還具有較大的有效發(fā)射截面,更利于超短脈沖激光的輸出。平面波導Yb:LuAG透明陶瓷有望成為高功率超短脈沖激光器的理想增益介質。本論文選取Yb摻雜的石榴石基平面波導透明陶瓷為研究對象,以商業(yè)氧化物粉體為原料,采用非水基流延成型結合真空燒結技術制備了平面波導激光陶瓷,并對陶瓷的顯微結構、光學性能及離子擴散分布展開研究。首先,采用非水基流延成型制備了平面波導YAG/10at%Yb:YAG/YAG陶瓷素坯,其中對原料粉體、流延膜、不同階段的素坯進行了微觀形貌觀察。經過1775oC燒結30h得到的樣品在可見光波段透過率接近80%,晶界干凈清晰但存在少數晶內氣孔�；跀U散定律研究了波導層內Y和Yb離子擴散分布,并分別擬合計算了擴散系數。經過工藝的調整優(yōu)化及燒結溫度的改變,在1760oC燒結30h得到了平面波導YAG/10at%Yb:YAG/YAG透明陶瓷。3.5mm厚的樣品透過率接近理論值,晶界清晰干凈,無氣孔及第二相。通過ICP-MS測試得到激活離子Yb的單向擴散距離為215μm。尺寸3.5×3.5×3.5mm3的樣品實現了連續(xù)激光輸出,其中在三鏡腔下獲得最佳激光性能顯示單模激光,最大輸出功率為1.6W,斜率效率為34.4%。此外,采用流延成型和陶瓷燒結工藝制備了平面波導LuAG/10at%Yb:LuAG/LuAG透明陶瓷,分別在1775、1800、1825oC下進行預燒結后進行熱等靜壓(HIP)1700oC燒結后處理,重點研究了HIP后處理的陶瓷微觀形貌、光學性能及摻雜離子Yb的擴散分布。隨著預燒溫度的升高,HIP后處理樣品晶粒尺寸逐漸變大,透過率逐漸提高。其中預燒結溫度為1825oC時,2mm厚樣品透過率在1100nm處達74%,且Yb3+分布區(qū)域最寬,單向擴散距離達170μm。
[Abstract]:For high power, high efficiency, continuous development of all solid state laser with high beam quality, the laser gain medium thermal effect are the main factors that restrict its development, so it is necessary to optimize the composition distribution of laser materials. Planar waveguide structure with its unique structural design can effectively reduce the thermal effect, but also to achieve low threshold high power laser output. Compared to the single crystal structure of laser ceramics can be designed, easy to implement many applications. By casting method combined with vacuum sintering technology, you can get a planar waveguide in the ceramic preparation process. In many garnet laser ceramic matrix doped with rare earth ions in transparent Yb:YAG ceramics with unit area high gain; absorption bandwidth, gain pumping source with suitable wavelength without strict temperature control can achieve high doping concentration and no concentration quenching effect. The same performance, and the current of laser diode (LD) pump power increasing but also solve the early Yb:YAG pumping threshold is high, not easy to pump faults. Planar waveguide Yb:YAG transparent ceramics become a high power, high efficiency laser gain medium ideal. However, with the increase of Yb doping concentration in YAG, Yb:YAG the thermal conductivity will suddenly drop, when the matrix is LuAG, with the increase of Yb3+ doping concentration, the thermal conductivity of Yb:LuAG decreased slowly, and when the doping concentration of Yb exceeds 5at.%, the thermal conductivity of Yb:LuAG is also greater than the high effective emission cross section of.Yb:LuAG Yb:YAG, more conducive to the ultrashort pulse laser output planar waveguide Yb:LuAG. Transparent ceramics is expected to become the ideal gain medium high power ultrashort pulse laser. Garnet based planar waveguide transparent ceramics doped Yb this paper selected as the research object, taking the oxide powder industry As material, using planar waveguide laser ceramics was synthesized by vacuum sintering technique for non aqueous tape casting of ceramic, and the microstructure, optical properties and ion diffusion distribution is researched. Firstly, the planar waveguide YAG/10at%Yb:YAG/YAG ceramic blank was fabricated by non aqueous tape casting system, the raw material powder, cast film, different the blank of morphology observation. After 1775oC sintered 30h samples obtained in visible light transmittance is close to 80%, but there is a clear boundary. The crystal pores in the waveguide layer Y and Yb ion diffusion diffusion distribution based on the law, and fitting the diffusion coefficients are calculated. After the adjustment and optimization of sintering the temperature change process, the samples of transparent ceramics.3.5mm thick planar waveguide YAG/10at%Yb:YAG/YAG transmittance is close to the theoretical value obtained in the sintering of 1760oC 30h, the clear boundary clean, no Stomata and the second phase. Measured by ICP-MS unidirectional diffusion distance activated ion is 215 M. Yb size 3.5 x 3.5 x 3.5mm3 samples to realize continuous laser output, which won the best performance in the three mirror cavity laser display single-mode laser, the maximum output power of 1.6W, the slope efficiency of 34.4%. in planar waveguide LuAG/10at%Yb:LuAG/LuAG transparent ceramics prepared by tape casting and sintering process, pre sintering under 177518001825oC respectively after hot isostatic pressing sintering (HIP) 1700oC postprocessing, ceramic micro morphology focuses on the HIP postprocessing, distribution and optical properties of Yb doped ions. With increasing calcination temperature and HIP postprocessing samples the grain size becomes larger, the transmittance gradually increased. The pre sintering temperature is 1825oC, 2mm thick sample transmittance at 1100nm was 74%, and the distribution area of Yb3+ is the widest, one-way extension The dispersion distance is 170 mu m.

【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ174.1

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本文編號：1382375