Nd:GSAG激光透明陶瓷的制备及性能研究

用激光二极管泵浦Nd:GSAG晶体，可直接输出942nm的激光，可为探测大气水蒸汽的运行于935nm，942nm或944nm任意波长的差分吸收激光雷达提供激光光源。为克服Nd:GSAG单晶难以实现高浓度掺杂，组分均匀性差及成本昂贵等缺点，本项目将纳米粉体合成技术与陶瓷制备技术相结合，制备Nd:GSAG透明陶瓷。采用湿化学方法，合成分散性、烧结性能良好的Nd:GSAG纳米粉体原料。研究不同工艺参数对陶瓷的致密度、透光度及发光性能的影响，探索高比例942nm波长激光发射的组分和结构因素，通过优化成型工艺，烧结工艺及激活离子掺杂浓度，制备获得高光学质量的Nd:GSAG透明陶瓷。该工作拓展了石榴石系列激光透明陶瓷的应用领域，有助于促进基础研究和应用研究的一体化和源头创新。另外，该项工作为发展936/942nm高效高功率全固态激光器打下材料基础,将促进差分吸收激光雷达技术在大气水蒸气探测中的应用。

为了构建大气水蒸气廓线，发展936/942nm固态激光器具有重要意义。为克服Nd:GSAG单晶难以实现高浓度掺杂，组分均匀性差及成本昂贵等缺点，本项目将纳米粉体合成技术与陶瓷制备技术相结合，制备Nd:GSAG透明陶瓷。.一方面，采用湿化学方法，优化工艺，合成Nd:GSAG前驱物并在不同的温度下煅烧，对前驱物的热分解机理，分解产物的晶体结构、形貌、颗粒度及光谱性能等进行表征，在较低的烧结温度下，均成功合成了均匀性、分散性及发光性能良好的纳米级Nd:GSAG多晶粉体及含添加剂（TEOS）的Nd:GSAG纳米粉体，这为Nd:GSAG透明陶瓷的制备打下良好的材料基础。采用光学吸收方法研究了Nd3+在提拉法Nd:GSAG单晶生长中的分凝性质，结合Judd-Ofelt理论研究了Nd3+在GSAG单晶基质中的光谱性能，确定了强度参数Ωt(t=2,4,6)，给出了跃迁几率、荧光分支比及荧光寿命等重要的光谱参数，为研究Nd:GSAG透明陶瓷的光谱性能提供一定的理论依据。.另一方面，从理论的角度分析了陶瓷的透光机理与陶瓷体内包含的散射中心，如晶界、气孔和杂相等的相关性，研究了成型和烧结工艺对陶瓷致密度的影响。采用轴向直压与冷等静压相结合的成型工艺，以上述湿化学法制备得到的纳米粉体为原料，优化成型和烧结工艺参数，最大限度地减少散射中心，如晶界相、残余气孔和第二相，防止晶粒异常长大，提高陶瓷的致密度和透光性。经无压真空烧结获得Nd:GSAG透明陶瓷，透明陶瓷的相对密度超过99％，陶瓷晶粒尺寸约为2-15μm，晶界宽度约为35nm，红外波段最大透过率接近60％；.本项目执行期间，制备得到Nd:GSAG透明陶瓷，在国内外期刊发表文章18篇，其中SCI检索文章15篇。申报发明专利和实用新型专利共计21项，其中8项已经授权，13项处于专利公开状态。培养在读硕士生2名，参加国内学术会议3次，圆满完成预期目标。.本项目的主要实验结果为国内外首次报道，创新性良好，为获得高光学质量的Nd: GSAG透明陶瓷提供了工艺参考，也为发展936/942nm高效高功率全固态激光器打下一定的材料基础。