（材料物理与化学专业论文）激光陶瓷的粉体制备研究.pdf

摘要 摘要 作为一种典型的陶瓷材料，钇铝石榴石( y 3 a 1 5 0 1 2 ，y a g ) f l j 于其良好的光学性能 和机械强度以及稳定的物理化学性质，在激光和发光领域被广泛用作基质材料。 近年来钇铝石榴石粉体的低温合成技术及其透明陶瓷的制备引起了人们的极大关 注。研究发现，透明多晶钇铝石榴石( y a g ) 陶瓷与其单晶材料相比，可实现大尺寸、 高掺杂浓度、低成本，在高功率全固态激光器中有着巨大的应用价值。1 9 9 5 年， i k e s u e 等用固相反应的方法制备出了透明的、折射率和热导率都与单晶相当的 n d 3 + ：y a g 激光陶瓷，从而也把在通信、军事上有着巨大应用潜力的掺n d ”激光透 明陶瓷材料的研究推向了高潮。 本文采用化学共沉淀法和溶胶一凝胶法两种方法制备了n d ：y a g 粉体，研究了 柠檬酸法和碳酸氢氨沉淀法制备钇铝石榴石超细粉体的技术。通过真空热压烧结 实验，详细考察了y a g 超细粉体的烧结性能、不同温度烧结的坯体气孔分布情况、 晶粒生长现象和不同温度烧结的坯体微观组织形貌。并采用综合热分析 ( t g - 叽a ) 、x 光衍射( ) 和扫描电镜( s e m ) 等测试手段对粉体进行了样 品表征，最终得到了掺钕浓度分别为l a t 和5 a t 的n d ：y a g 激光陶瓷。在实验过 程中运用正交实验法对n d ：y a g 激光陶瓷的透明问题进行了研究。分析了在整个实 验过程q b n d 3 + 离子掺杂量、沉淀剂的摩尔比以及真空烧结温度三个因素对激光陶 瓷透明度的影响，并得到了各因素的最佳水平和实验的优化方案。 在充分利用y a g 超细粉体的制备技术和深刻理解y a g 陶瓷微观组织进化过程 和烧结机制的基础上，考察了粉体化学组分、粉体成形方法和烧结制度与透明陶 瓷微观形貌和透过率的关系，确定了影响y a g 透明陶瓷透明性能的主要因素。 关键字；钇铝石榴石透明陶瓷化学共沉淀法溶胶凝胶法真空烧结 a b s w a c t b e i n gat y p i c a lc e r a m i c sm a t e r i a l ，y t t r i u ma l u m i n u mg a r n e t ( y a g ) h a se x c e l l e n t m e c h a n i c a l ，t h e r m a la n do p t i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c hi sap r o m i s i n gm a t e r i a lu s e da s p h o s p h o r sa n dl a s e rm e d i a r e c e n t l y ，m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ol o w - t e m p e r a t u r e s y n t h e s i so fy a gp o w d e r s a n df a b r i c a l i o no f t r a n s p a r e n ty a g i tw a ss h o w e dt h r o u g h t h er e s e a r c ht h a tt r a n s p a r e n tp o l y c r y s t a l l i n e 蹦6e 黜a n l i c sa r el o wc o s t , a n d 渤b e h i g h l yd o p e dw i t hn 矿a n dp o s s i b l ef o rl a g e rs i z el a s e rp o l y c 奶c s t a l i ti sap r o m i s i n g o e r a l n i cf o rh i g hp o w e rl a s e rh o s tm a t e r i a l s i n1 9 9 5 ，i k e s u eh a dp r e p a r e dt r a n s p a r e n t n d h ：y a gb ys o l i ds t a t er e a c t i o nm e t h o da n di t sr e f i a c t i v ei n d e xa n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yw e r en e a r l ye q u i v a l e n tt ot h o s eo f ay a gs i n g l ec r y s t a l t h ee m e r g e n c eo f t h i sn d 3 + ：y a gl a s e r t r a n s p a r e n t e ：c t a l n i c s p r e s e n t e de n o 衄。璐p o t e n t i a l f o r c o m m u n i c a t i o na n dm i l i t a r ya p p l i c a t i o n sg i v ei m p e t u st ot h es t u d yo fl a s e rt r a n s p a r e n t 黜d m i c sm a t e r i a l s i nt h i sw o r k , n ( 1 j 十：y a gp o w d e rw a so b t a i n e dt h r o u g hc h e m i c a lc o - p r e c i p r a t i o n m e t h o da n ds o l - g e lm e t h o dt os t u d yt h ee f f e c t so fp r e p a r a t i o nm e t h o d s ，l y f c c u r s o r p o w d e r sa r cs y n t h e s i z e db yt w od i f f e r e n tw h e m i c a lp l _ o c e s s ，i e c i t r i ca c i dp r o c e s s ， a n de n - p r e c i p i t a t i o np r o c e s su s i n ga m m o u i m nh y d r o g e nc a r b o n a t ea st h ep r e c i p i t a n l y a g p o w d e r ss i n t e ra b i l i t y ；p o r es i z ed i s t r i b u t i o ng r a mg r o w t ha n dm i c r o - 删 e v o l u t i o na 把i n v e s t i g a t e db ys i n t e r i n ga n dt h ec o n s t a n th e a t i n gr a t es i n t e r i n g a n dt h e n d ”：y a gp r e c u r s o rw e r ec h a r a c t e r i z e db yt g d t a 、x r da n ds e m a tl a s t , e n d ：1 a t a n d5 a t n d ”：y a gw a sp r e p a r e d f a c t o r st e s tm e t h o dw a su s e dd u r i n gt h e w h o l ee x p e r i m e mt oa n a l y s e st h ei n f l u e n c et h a tq u a n t i t yo fd o p i n gn d 什p r e c i p i t a t o r a n dt e m l m a t u 佗o fs i n t e r i n gw o r ko nt r a n s p a r e n c yo fp o l y c r y s t a l l i n en d ”：y a g c e r a m i c s f i n a l l y f a c t o r s i n f l u e n c i n go no p t i c a lt r a n s m i t t a n c eo fp o l y c r y s t a l l i n e n d ”：y a gc c r a j n i c $ a n do p t i m i z a t i o nf o r m u l a t i o nf o rp r o d u c i n gp o l y e r y s t a l l i n e n d v ：y a gc e r a l x f i c sw e l ef o u n do u ta c c o r d i n gt ot h er e s u l t s b a s e do na c c u r a t ek n o w l e d g eo ft h ep r o c e s s i n go fu l t r af m ey a gp o w d e ra n d i m p r o v e du n d e r s t a n d i n go ft h em i c r o s t m c t a le v o l u t i o na n ds i n t e r i n gm e c h a n i s m , t h e i n f l u e n c eo f c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fy a g p o w d e r s ，p r e s st e c h n i q sa n dt h es i n t e r i n g s c h e d u l e so nc e r a m i c st r a n s m i s s i o ni se v a l u a t e d k e y w o r d ：y t t r i u mm u m i n u mg a r n e tt r a n s p a r e n te e r a m i ec o - p r e c i p i t a t i o n m e t h o ds o l - g e lm e t h o d v a e u u m - s i n t e r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得匿安电子科技大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：育双荡 日期：川l 罗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于公开，在年解密后适用本授权书。 本人签名：苕双奄 导师签名。穆亏荔 f 屹。口，g 日期：沙叼弓s 日期：山痧z ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本研究的背景和意义 目前，国外正在探讨研制光学功能陶瓷主要应用在高技术制导兵器、超高速 导弹和火箭、超高速军用飞机、舰船及地面武器( 坦克) 等军用领域，在民用领 域随着材料技术和应用技术的发展也有广泛的应用前景。n d 3 + ：y a g 透明陶瓷激光 材料是新一代的激光材料，其激光性能已与n d 3 + ：y a g 单晶相当【l - 2 。由于它的掺 杂浓度更高、尺寸更大，同时可大规模生产，因此被认为是替代目前在不同激光 器中被广泛应用的n d 3 + ：y a g 单晶的更好的选择。 透明陶瓷激光材料具有许多单晶和钕玻璃所不具备的优点。 同单晶相比，透明陶瓷具备以下优势： ( 1 ) 容易制备出大尺寸的n d 3 + ：y a g 透明激光陶瓷，且形状容易控制。受各种 条件的限制，单晶生长技术难以获得大尺寸的n d 3 + ：y a g 单晶。目前的n d 3 + ：y a g 单晶虽然能够满足一般应用的需要，但对于特殊的需要难以满足。而用陶瓷技术， 可以获得大尺寸、各种形状的n d 3 + ：y a g 透明陶瓷。国外现已能制备出尺寸达 尹4 5 0 m m x1 0 m m 的y a g 透明陶瓷，并且由于陶瓷技术的特殊性还可以制备出更 大尺寸的y 艄透明陶瓷。 ( 2 ) 可获得掺杂浓度高、光学均匀性好的n d 3 + ：y a g 。由于采用熔体生长技术很 难长出掺杂浓度高、掺杂均匀、光学质量好的大尺寸n d 3 + ：y a g 单晶，这限制了 n d 3 + ：y a g 单晶的应用范围。而在陶瓷材料的制备过程中，又由于其陶瓷工艺掺杂 均匀、掺杂量高等优势，从而可以获得掺钕浓度高( l o ) ，掺杂均匀的n d 3 + ：y a g 透明激光陶瓷。 ( 3 ) 制备周期短，生产成本低。y a g 单晶的熔点高( 1 9 7 0 c ) ，生长需要昂贵 的铱坩锅和单晶炉。n d 3 + ：y a g 单晶生长的技术性强、生长周期长，因而生产成本 高。而制造y a g 透明激光陶瓷不需要昂贵的铱坩锅，烧结温度相对较低，制备周 期相对较短，且适合大规模生产，因而可降低生产成本。 与钕玻璃相比，透明陶瓷激光材料的优点是： ( i 热导率高，是钕玻璃的1 4 倍，有秘于热量的散发。 ( 2 ) y a g 的熔点为1 9 7 0 ，而钕玻璃的软化点约为6 6 0 ，这样n d 3 + ：y a g 透 明陶瓷激光器可以承受更高的辐射功率。 ( 3 ) n d 3 + ：y a g 透明陶瓷材料输出激光的单色性比钕玻璃激光器好。 ( 4 ) n d 3 + ：y a g 透明陶瓷可以实现连续的激光输出，而钕玻璃激光器一般仍是 脉冲输出。 2 激光陶瓷的粉体制各研究 基于以上优点，研究n d 3 + ：y a g 透明激光陶瓷是十分有必要和有意义的。从目 前来看，n , t 3 + ：y a g 透明陶瓷激光材料主要朝3 个应用方向发展：一是采用高掺杂 浓度陶瓷激光材料发展高效、高功率微片激光器；二是采用掺杂浓度相对较低而 尺寸大的材料发展高功率激光器：三是发展超大尺寸材料用于激光核聚变系统的 激光点火装置中。 1 2 激光透明陶瓷的研究现状 自1 9 5 7 年美国陶瓷学家c o n e 制造出第一块透明氧化铝陶瓷“l u c a l o x ”1 3 5 ， 透明陶瓷经过几十年的发展，到目前已经研制出几十种透明陶瓷：从过去的氧化 铝透明陶瓷、氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷等发展到铝镁尖晶石透明陶瓷、 氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷、透明p l z t 电光陶瓷、钇铝石榴石激光透明 陶瓷、以及y g o 、g g g 、g d 2 0 2 s 透明闪烁陶瓷等材料。这其中又尤以n d 3 + ：y a g 透明激光陶瓷1 6 4 1 得n t 广泛的研究和关注。 几十年里，科学家们一直在努力探索，力求研制出能与单晶n 矿+ ：y a g 相比 的高度透明、高质量的n d 3 + ：y a g 陶瓷激光材料。但在初期由于制备出的n d 3 + ：y a g 陶瓷存在大的背景吸收而没能获得激光输出。直到1 9 9 5 年，日本的i k e s u e 等报道， 具有更高透明度的y a g 陶瓷已问世，对其折射率、热导率、硬度等物理特性的测 量结果表明，n d 3 + ：y a g 透明陶瓷与n d 3 + ：y a g 单晶类似( 表1 ) 9 1 。同时研制出 世界上第一台能与n d 3 + ：y a g 单晶激光器相媲美的透明n d 3 + ：y a g 陶瓷激光器，用 输出功率为6 0 0 m w 、输出波长为8 0 8 n m 的激光二极管，采用端面泵浦技术，n d ” 浓度和单晶相当的y a g 陶瓷，结果表明，透明n d 3 + ：y a g 陶瓷的激光阈值比单晶 稍高，斜率效率达到2 8 ，激光最大输出功率为7 0 r o w 。 裹1 穗目y a g 陶瓷和单晶羽舒分物理性能对比 材辩体密廖酗餮度，拆射攀热导率，( j - c m 以 ) ( g - c m 4 ) 回a在 2 0 2 0 0 6 0 0 5 9 0 m a y a g 透明陶瓷 4 。5 51 2818 0 8b 1 0 50 0 5 70 ，0 4 6 y a g 单晶 45 51 2 618 1 0o 1 0 70 0 5 70 0 4 6 近年来，日本的k o n o s h i m a 公司采用一种改进的尿素共沉淀方法制备出了 n d 3 + ：y a g 陶瓷。高质量的n d 3 + ：y a g 陶瓷在1 0 6 4 r i m 处的散射损耗接近0 0 0 2 c m 一 透明n d 3 + ：y a g 陶瓷的吸收、发射和荧光寿命等光学特性与单晶几乎一致。 目前，主要有2 个世界范围的研究组织在进行透明陶瓷激光材料的研究工作， 它们分别是：( 1 ) 日本精细陶瓷中心、日本分子科学所激光研究中心和罗马尼亚 第一章绪论 3 原子物理研究所固体量子电子学实验室等单位；( 2 ) 日本电气通信大学激光科学 研究所、俄罗斯科学院晶体所晶体激光物理实验室和日本神岛化学公司等单位。 国内这方面的研究工作起步比较晚，而且主要局限于一些高校实验室和研究所里， 研究尚处于起步阶段。 目前对于激光透明陶瓷的研究虽然已经取得了很大的进步和发展，但很多专 家还仅仅将研究停留在科研方面，还并不能把成果产业化，而且现今大部分研究 人员还不能将激光陶瓷做到透明度相当成功的地步，因此还需不断努力学习、研 究和改进。 第二章理论分析 2 1 1 光的受激辐射 第二章理论分析 2 1 激光的基本原理“朝 一、受激辐射和自发辐射概念【1 6 1 爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论观点出发提出：相互作用应包含原子 的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。 1 自发辐射( 如图2 1 ) 处于高能级e 2 的一个原子自发地向e l 跃迁，并发射一个能量为厅l ，的光子， 这种过程称为自发跃迁。由原子自发跃迁发出的光子称为自发辐射。自发跃迁过 程用自发跃迁几率a 2 l 描述。a 2 l 定义为单位时间内1 1 2 个高能态原子中发生自发跃 迁的原子数与n 2 的比值： a ：，= ( ! 争) ，上 ( 2 - 1 - 1 1 ) “ 1 2 式i ：l ：l ( d n 2 1 ) s d 表示由于自发跃迁引起的由e 2 向e 1 跃迁的原子数。 一喾i 图2 1 原子的自发辐射 应该指出，自发跃迁是一种只与原子本身性质有关而与辐射场岛无关的自发 过程。因此，a 2 1 只决定于原子本身的性质。由式( 2 1 一1 1 ) 容易证明，a 2 1 就是 原子在能级e 2 的平均寿命f ，的倒数。因为在单位时间内能级e 2 所减少的粒子数为 鲁；寺) ，( 2 - l - 1 - 2 )西、出。 将式( 2 1 1 1 ) 代入则得 譬= 一a 2 l n 2 ( 2 - 1 1 - 3 ) 出 “ 。 由此式可得 6 激光陶瓷的粉体制备研究 以2 = h 2 0 e 一伽= 2 0 e 。( 2 - 1 1 - 4 ) 式中 一2 i ：一1 ( 2 q 1 5 ) a 2 l 也称为自发跃迁爱因斯坦系数【1 m 。 2 受激吸收( 如图2 2 ) 显然，如果黑体物质原子和辐射场相互作用只包含上述自发跃迁过程，是不 雠鼬貅耐黼蚣式岛2 芋击臌稍肭涮鼬靛值 的。因此，爱因斯坦认为，必然还存在一种原子在辐射场作用下的受激跃迁过程， 从而第一次从理论上预言了受激辐射的存在。 震女- - - - - - - - -篁l ，、矿一 入瓣竞，一嚣t l 点l 叫一 嚣l 墨曦教走黔薏泽 蓑迂囊赛麓鹱 图2 2 原子的受澈辐射 处于低能态e l 的一个原子，在频率为y 的辐射场作用( 激励) 下，受激地向 e 2 能态跃迁并吸收一个能量为h v 的光子，这种过程称为受激吸收跃迁，并用受激 吸收跃迁几率w 1 2 描述： m ：= 争。丢 ( 2 - l 峋 式中，( d n l 蕊表示由于受激跃迁引起的由e l 向e 2 跃迁的原子数。 应该强调，受激跃迁和白发跃迁是本质不同的物理过程，反应在跃迁几率上就 是：a 2 1 只与原子本身性质有关；而w i 2 不仅与原子性质有关，还与辐射场的成成 正比。我们可将这种关系唯象地表示为 2 = 蜀2 成 ( 2 - 1 l - 7 ) 式中，比例系数b 1 2 称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质有关。 3 受激辐射( 如图2 3 ) 受激吸收跃迁的反过程就是受激辐射跃迁。受激辐射 跃迁几率为 ：( 卑) 。上( 2 - 1 1 - 8 ) a t 疗 一 卫 第二章理论分析 嚣卜一 嚣 a 獬地鸯y 点t 霰t 八厂今一 点! 一点l ，拙l 一震l 7 图2 3 原子的受激吸收 。= b 2 ，n ( 2 1 - 1 9 ) 式中b 2 l 为受激辐射跃迁爱因斯坦系数。由原子受激辐射跃迁发出的光子称为 受激辐射。 二，受激辐射的相干性 相干性是受激辐射与自发辐射极为重要的区别。如前所述，自发辐射是 原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程。因此，大量原子的自发辐射场的 相位是无规则分布的，因而是不相干的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方 向也是无规则分布的，或者像黑体辐射那样，自发辐射平均地分配到腔内所有模 式上。 受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而容易设想各原予的受激辐 射的相位不再是无规则分布，而应具有和外界辐射场相同的相位。在量子电动力 学的基础上可以证明：受激辐射光子与入射( 激励) 光子属于同一光子态；或者 说，受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢( 传播方向) 和偏振， 因而，受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。图2 4 示意地表示这一特点。特别 是，大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射处于同一光波模或同一光子态， 因而是相干的。受激辐射的这一重要特性就是现代量子电子学( 包括激光与微波 激射) 的出发点。激光就是一种受激辐射相干光。 锯懋t ，。8 。誊 岛弋眦一 。_ a 讥一 蹙簟赣群竞p 。岛 幻 图2 4 受激辐射示意图 受激辐射的这一特性在上述爱因斯坦理论中是得不到证明的，因为那里使用 的是唯象方法，没有涉及原子发光的具体物理过程。严格的证明只有依靠量子电 动力学。但是，原子发光的经典电子论模型可以帮助我们得到一个定性的租略理 解。按经典电子论模型，原子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，没有任 8 激光陶瓷的粉体制各研究 何外加光电场来同步各个原子的白发阻尼振荡，因而电子振荡发出的自发辐射是 相位无关的。而受激辐射对应于电子在外加光电场作用下作强迫振荡时的辐射， 电子强迫振荡的频率、相位、振动方向显然应与外加光电场一致。因而强迫振动 电子发出的受激辐射应与外加光辐射场具有相同的频率、相位、传播方向和偏振 状态。 2 1 2 光的受激辐射放大 一、实现光放大的条件集居数反转 在物质处于热平衡态时，各能级上的原子数( 或称集居数) 服从玻尔兹曼统 计分布： 生；e 掣 ( 2 _ l - 2 1 ) n i 为简化起见，式中已令9 2 = g l 。因e 2 e l ，所以n 2 n l ，称为集居数反转( 也可称为粒子数反转) 。一般来说， 当物质处于热平衡状态( 即它与外界处于能量平衡状态) 时，集居数反转是不可 能的，只有当外界向物质供给能量( 称为激励或泵浦过程) ，从而使物质处于非热 平衡状态时，集居数反转才可能实现。激励( 或泵浦) 过程是光放大的必要条件。 二、光放大物质的增益系数与增益曲线 处于集居数反转状态的物质称为激活物质( 或激光介质) 。一段激活物质就是 一个光放大器。放大作用的大小通常放大( 或增益) 系数g 来描述。如图2 6 所 示，设在光传播方向上z 处的光强为i ( z ) ( 光强i 正比于光的单色能量密度p ) ， 则增益系数定义为 第二章理论分析 g = 警击 ( 2 - l - 2 2 ) 9 m 图2 6 增益物质 所以g ( z ) 表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。显然，刃( z ) 正 比于单位体积激活物质的净受激发射光子数 a l ( z ) o c 【阡：l n 2 ( z ) 一纾j 2 啊( z ) 】 l t 忍 b 2 1 h v p ( z ) n 2 ( z ) 一n 1 ( z ) l d z b 2 l h v l ( z ) n 2 ( = ) 一n l ( z ) 】出( 2 - l - 2 - 3 ) 所以 g ( z ) a cb 2 l h v n 2 ( 力一啊0 ) 】( 2 一l - 2 1 ) 如果( 一2 一啊) 不随z 而变化，则增益系数g ( z ) 为一常数g o ，式( 2 1 - 2 - 2 ) 为 线性微分方程。积分式( 2 1 - 2 2 ) 得 1 ( z ) f f i ，o p 如 ( 2 1 - 2 5 ) 式中，厶为z = o 处的初始光强。这就是如图2 7 所示的线性增益或小信号增 益情况。 图2 7 增益物质的光放大 但是，实际上光强正是由于高能级原子向低能级受激跃迁的结果，或者说光放 大正是以单位体积内集居数差值n ，( z ) 一n 1 ( z ) 的减小为代价的。并且，光强i 越大， 栉：( z ) 一( z ) 减少得越多，所以实际上n ：( = ) 一啊( z ) 随z 的增加而减少。因而增益系 数g ( z ) 也随z 的增加而减小，这称为增益饱和效应。与之相应，我们可将单位体 积内集居数差值表示为光强i 的函数： 1 0 激光陶瓷的粉体制各研究 疗2 一 1 1 = 兰l 二 ( 2 - 1 - 2 6 ) l + is 式中，l 为饱和光强。在这里，我们可暂时将t 理解为描述增益饱和效应而 唯象引入的参量。t 2 0 n a o 为光强i = 0 时单位体积内的初始集居数差值。从式 c 1 - 2 - 6 ) 出发，我们可将式( 2 1 - 2 - 4 ) 改写为 g u ) o cb 2 1 h y 竺l 芒i l( 2 1 2 7 ) 1j - 二 is 或 g 2 苦( 2 - 1 - 2 - 8 ) l s 式中g o = g ( i = 0 ) 1 1 0 为小信号增益系数。如果在放大器中光强始终满足条件 i l s ，则增益系数g ( i ) = g o 为常数，且不随z 变化，这就是式( 2 1 2 5 ) 表示的小 信号情况。反之，在条件l 0 5 m m 的尘粒数3 5 颗升) 。 对粉体的要求是采用高纯粉体或粉体中加入适量烧结添加剂，否则超过固溶 度限制的第二相将形成散射中心，降低透过率。晶粒尺寸控制在0 0 3 0 3 t t m ：晶 粒小于0 0 3 t t m 的粉体难以控制团聚现象，而颗粒大于0 3 t t m 的粉体烧结活性不佳。 粉体分散且晶粒近似为球形；通过加入粘结剂、润滑剂和采用喷雾干燥工艺获得 具有软团聚的粉体。如果存在硬团聚，应尽量控制团聚的尺寸小于0 3 t t m ，否则将 在透明陶瓷体中出现白点；正确选择粉体前驱体类型，合理制定粉体预烧工艺， 以防止挥发性气体形成残留闭气孔，影响陶瓷透过率。 对素坯的要求是物理和化学性均一；颗粒尺寸均匀；气孔分布均匀；气孔尺 寸小和较窄的气孔分布范围：较高的气孔配位数。 对烧结体的要求是高致密度，陶瓷体的密度接近理论密度。晶界超薄，厚度 在纳米级。晶界处无气孔或气孔尺寸小于入射光波长。晶界处不存在或含有p p m 级 的微小杂质，晶粒尺寸均匀。陶瓷体表面光洁【5 卜5 2 】。 2 4 1 固相合成法 2 4 纳米超细前驱粉体的合成方法 固相反应法是应用最早和最多的合成y a g 粉体的传统方法，也是目前真正能 实现产业化的生产的方法，它是将混合均匀的a 1 2 0 3 和y 2 0 3 n ( a i ) ：n ( y ) = 5 ：3 ，并添 加一定的添加剂粉末在高温下煅烧，通过氧化物之间的固相反应形成y a g 粉体。 高温条件下，a 1 2 0 3 和y 2 0 3 反应，先依次形成中间相y 掣a 2 0 9 ( y a m ) 和y a l 0 3 ( 心) ，最终形成y a g 。反应过程如下： 夏绣+ z 厶8 ! 唑型些= _ y a m 翻竹+ 爿厶d tj 坐! 墅咝寸4 y a p 3 y a p + a i ，aj 坐塑竖一拗g 固相反应法工艺简单，容易实现粉体的批量生产。但固相反应法合成粉体过 程中存在下列不足：粉体合成过程中须经过多次球磨，球磨过程中容易引入杂质 并引起晶格缺陷；高温锻烧使粉体的烧结活性降低；且难以得到细的粉体：锻烧 产物中除主晶相y a g 外，往往残留少量中间相y a m 和y a p 。i c o h n o 和t a b e 5 3 l 在固 相反应过程中引入b a f 2 ，在1 5 0 0 0 的条件下热处理2 小时，得到了t b 3 + 掺杂的单相 y 掣k 1 5 0 1 2 粉体。b a f 2 在反应过程中起催化剂的作用，在粉体形成的中间过程中参加 激光陶瓷的粉体制各研究 反应，与不使用b a f 2 的固相反应法相此方法可以降低y a g 相的形成温度。该方法 合成的粉体粒度为数微米，粉体合成后需要经过酸洗去除烧结助剂b a f 2 ，合成工 艺较复杂。q i w uz h a n g 和f u m i os a i t o 5 4 1 采用借助于机械力化学的固相反应法合成 y a g 粉体，将a i ( o h b 在4 0 0 。c 煅烧1 2 0 r a i n 得到的过渡型氧化铝与y 2 0 3 混合，在行 星式球磨机上研磨3 6 0 r a i n ，研磨后的粉末在7 0 0 c 煅烧，得到单相的y a g 粉体。 2 4 2 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种制备无机材料的工艺方法， 所谓溶胶是指分散在液相中的固态度粒子足够小( 1 1 0 0 n m ) ，以致可以依靠布朗 运动保持无限的悬浮；凝胶是一种包含液相组分而且具有内部网络结构的固体， 其中的液体与固体呈现高度分散的状态。溶胶一凝胶法是制备纳米粒子的一种湿 化学法，基本原理是：以易于水解的金属溶融物( 无机盐或金属醇盐) 为原料，使之 在某种溶剂中与水发生反应，经水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经煅烧和干燥得 到所需氧化物纳米粉末。此外，溶胶一凝胶法也是制备薄膜和涂层的有效方法。 从溶胶到凝胶再到粉末，组分的均匀性和分散性基本上得以保留；加之煅烧温度 低，因此，所得粉末的粒度一般为几十个纳米。m i c h a c lv e i t h 和s a n j a ym a t h u 5 5 l 利用y ，a l 的金属醇盐作为前驱体在7 0 0 1 2 、8 0 0 的较低温度下获得y a g 纳米 粉晶。由于金属醇盐原料价格昂贵，加之操作复杂，故大规模制备受到限制。基 于降低成本考虑，以非醇盐为原料的结合物溶胶一凝胶法也拟采用，例如 t o l 【i l m a l “删等采用联胺为络合剂均匀制备出单相的y a g 粉体。结合剂在这里主 要起到抑制组分析晶的作用，以确保各个组分在溶液状态下的混合均匀性保留在 符合粉末中，但用该方法得到的粉体基本上是团聚的。 2 4 3 化学共沉淀法 化学共沉淀法是将金属盐溶液加到过量的沉淀剂中，使沉淀离子的浓度大大 超过沉淀的平衡浓度，尽量使各组分按比例地沉淀出来，然后将沉淀物进行热分 解得到所需的氧化物粉末。该方法适合于制备含有两种以上金属元素的复合氧化 物，所得到淀粉纯度高、组成均匀。一般采用氨水或碳酸氢氨作为沉淀剂。在以 氨水为沉淀剂的反应过程中，o h 一离子为唯一的沉淀剂离子，因此沉淀物为铝和 钇的氢氧化物。h o l c o m b e 5 7 】等人研究发现，当氨水作为沉淀剂时y 3 + 离子通常以 y 2 ( o h ) 5 x 3 h 2 0 的形式沉淀，根据金属盐种类的不同，x 分别为n 0 3 - 或c l - 。 经过反复的实验和摸索，r a s m u s s e n t 5 卅等用2 5 m o l l 的氨水沉淀硝酸钇溶液得 到的沉淀物为y 2 ( o h ) 5 ( n 0 9 3 h 2 0 。j i - 4 3 u a n g l i 5 9 1 等人用氨水共沉淀硝酸钇和硝酸 第二章理论分析 铝溶液，沉淀物的组成d a i ( o h b 0 3 y 2 ( o h ) 5 ( n 0 3 ) 3 h 2 0 。该沉淀物在1 0 0 0 c 煅 烧后，由中间相y a p 转变为y a g 。h o n g z h iw i f d 删等人也对该体系进行了研究， 通过控制不同的p h 值，在9 0 0 c 的热处理温度下沉淀物直接结晶为单相的y a g 。李 江【6 1 喀人分别在套m 4 h c 0 3 和氨水溶液中滴加n a 1 ( s 0 4 ) 2 和y ( n 0 3 ) 3 的混合溶液， 共沉淀生成了不同的前驱体，并研究了不同的沉淀剂对粉体团聚及相变的影响。 2 4 4 均相沉淀法 均相沉淀法的特点是不外