各向异性激光陶瓷：有序多晶掺镱氟磷酸锶(Yb:S-FAP)的制备及机理研究

Yb:S-FAP crysatls have emerged as gain medium for high power laser systems with practical repetition rate. However, it is still a technical challenge for growing high quality Yb:S-FAP crystals with diameter upto 7 cm because of its anisotropic thermo-mechanical properties. Based on our creative research on anisotropic ceramics and cumulate experiences on Yb:S-FAP power synthesis and spectral analysis, this project is aimed to manufacture high quality oriented Yb:S-FAP ceramics for the application on high power laser system with elevated operation rate. The Yb:S-FAP single-crystal powder without agglomerate is synthesized, which was then dispersed in suitable liquids. The resultant suspension is shaped in superconductive magnetic field, followed by sintering and HIP treatment. The products is finally evaluated by spectral analysis and laser amplifying test. The affect of Yb cation on susceptibility anisotropy Δχ of Yb:S-FAP and the mechanism of orientad grain growth are established as the main scientific research objects. The project is expected to concrete the technique of anisotropic ceramics and extend the laser ceramic system, to adapt the increasing request of laser research focusing on higher efficiency, higher power and higher repetition rate.

卓越的光谱性能和激光性能使得掺镱氟磷酸锶(Yb:S-FAP)晶体成为未来重频高效强激光系统的最佳增益介质之一。然而，生长大口径Yb:S-FAP晶体迄今仍然是激光材料领域一大技术挑战。本项目基于我们在各向异性有序透明陶瓷研究中的开创性工作，以及在Yb:S-FAP粉体合成和光谱性能研究中的长期积累，拟在成功合成无团聚的Yb:S-FAP粉体基础上，通过超导强磁场辅助的成型工艺，结合高温烧结和热等静压 (HIP)等透明化处理手段，获得满足高重复频率强激光增益所需的Yb:S-FAP有序多晶透明陶瓷。项目拟揭示Yb离子掺杂对Yb:S-FAP磁性的贡献以及有序晶粒择优生长机制等关键科学问题，形成各向异性激光陶瓷的关键制备技术；拓展激光陶瓷的研究体系和应用范围，以满足激光研究前沿"高效率、高功率、高重频"之发展趋势对于激光材料的更高要求。

为了满足激光研究前沿"高效率、高功率、高重频"之发展趋势对于激光材料的更高要求，本项目以研制光学性能优异的Yb:S-FAP有序多晶透明陶瓷为目标。研究了高分散性Yb:S-FAP粉体的合成工艺以及形貌控制机理，确定了合成纯相氟磷酸锶粉体的温度和pH范围，揭示了S-FAP颗粒择优生长的机理，实现了Yb:S-FAP粉体的形貌与尺寸可控合成。研究了Yb3+离子在S-FAP晶格中的配位环境，揭示了不同浓度条件下Yb3+离子的占据格位，发现即便在Yb3+掺杂浓度很低的情况下Yb3+同时占据Sr(I)格位和Sr(II)格位，与文献报道Yb3+离子优先占据Sr(II)格位的观点相左。通过超导强磁场辅助的注浆成型工艺，研究了Yb:S-FAP在强磁场中的取向特性，发现Yb:S-FAP晶粒的c轴方向倾向于平行于磁场方向排列。研究了致密化过程对于取向程度的影响关系，发现随着处理温度升高Yb:S-FAP陶瓷晶粒的取向程度增加。结合高温烧结和热等静压 (HIP)等透明化处理手段，优化了烧结过程的工艺条件，获得Yb:S-FAP有序多晶透明陶瓷；研究了Yb:S-FAP有序多晶透明陶瓷的光谱性能及激光性能，为深入开展应用研究提供了重要依据。此外还探究了稀土离子种类对于S-FAP磁化系数的影响关系，发现不同稀土离子对S-FAP在磁场下的取向作用可以分为两类，为研究其它材料的织构化提供了参考依据。