激光透明陶瓷透光性能的影响因素研究

激光透明陶瓷透光性能的影响因素研究

自20世纪60年代maimin成功开发世界上第一个激光机器以来，人们对激光劳动物进行了深入的研究和研究。从工作物质角度来说,激光器可分为固体激光器、液体激光器、半导体激光器和气体激光器等。固体激光器的激光介质材料已经从最初的几种基质晶体发展到目前涵盖晶体、玻璃和陶瓷这三大领域的上百种不同材料。在固体激光工作介质的发展历史上,晶体和玻璃由于光散射损耗小、透明、容易实现激光振荡等优点成为优先研究的对象。目前,晶体和玻璃依然是固体激光器工作物质的主体,而激光陶瓷因其优越的性能在许多领域中具有潜在的应用价值。晶体是固体激光器最为重要的工作物质介质,然而,由于其生产周期长、生产成本高、晶体中掺杂离子的浓度低、掺杂离子分布不均匀、熔体生长晶体可能引起晶体中组份偏离、难以生长大尺寸、晶体利用率不高等因素的影响,其应用领域受到限制。此外,玻璃也是一种重要的激光介质。与单晶相比,玻璃具有更容易制造、能大尺寸生产、热致双折射效应低、掺杂浓度高等优点,但玻璃存在的热导率低、荧光线宽较宽、硬度较低、激光振荡阈值较高等缺点而制约其发展。为了克服单晶和玻璃存在的上述不足,人们一直在寻求更好的固体激光工作介质。从20世纪60年代起,人们就发现某些致密透明多晶陶瓷在某些性能上能与同材料的单晶相媲美,甚至可以取代单晶材料。相比于单晶,透明多晶陶瓷具有大尺寸生产、制备时间短、生产成本低、掺杂浓度高、掺杂离子均匀、陶瓷烧结温度低、可做成多功能陶瓷等突出优点,从而成为当今高功率固体激光工作介质潜在而强有力的竞争者。此外,激光透明陶瓷也可以弥补玻璃在热导率、硬度、机械强度等性能上的不足。激光透明陶瓷的透光性能与其损耗形成机制密切相关,本文利用经典的Mie理论和Rayleigh-Rice矢量微扰理论,分析了陶瓷内部散射粒子、晶界结构和表面粗糙度对其透光性能的影响,找出主要的损耗来源,从而为损耗排除技术的探索提供参考。1陶瓷的透明透明陶瓷的制备是在特定的温度和压强下将nm级的粉体进行烧结,使粉体颗粒凝结成晶粒结合体,并从多孔体变为致密体。由于受到气孔、杂质、晶粒晶界、表面粗糙度、添加剂种类和含量、烧结温度、烧成制度(如升降温方式、保温方式等)、烧结气氛、成型压力、产品厚度、表面活性物质等因素影响,陶瓷会对入射光线进行散射、折射和反射,因此,通常的陶瓷是不透明的。然而,在一定条件下,陶瓷也会变得透明。图1给出了透明陶瓷主要散射效应示意图。1.1贝塞尔函数气孔和杂质颗粒等散射粒子是影响陶瓷透光性能的主要因素之一。通常,陶瓷内部的气孔和杂质颗粒对光的损耗机理是相似的,不同的只是折射率。因此,气孔和杂质颗粒可统称为散射粒子。从某种意义上来说,透明陶瓷的制备过程实质就是在烧结过程中排除气孔的过程。气孔通常是在最终烧结阶段因晶粒迅速生长而形成。由于气孔具有不同于多晶基体光学性质的相界,从而造成入射光的强烈散射。气孔可分为晶间气孔和晶内气孔。晶间气孔位于晶界面上,相对容易排出,而晶内气孔一般为亚微米尺寸,要将其排出则比晶内气孔困难得多。光束通过散射粒子时,除了透过和吸收以外,还有存在散射效应。当微粒间距数倍于其半径时,可认为此时每个微粒散射不受邻近散射的影响,即“独立散射”。根据经典Mie理论,散射系数Ksca和消光系数Kext分别为Ksca=2Nα2∑i=1∞(2i+1)(|ai|2+|bi|2)(1)Kext=2Nα2∑i=1∞(2i+1)Re(ai+bi)(2)Κsca=2Να2∑i=1∞(2i+1)(|ai|2+|bi|2)(1)Κext=2Να2∑i=1∞(2i+1)Re(ai+bi)(2)其中ai=ψi(α)ψi′(mα)−mψi′(α)ψi(mα)ξi(α)ψi′(mα)−mξi′(α)ψi(mα)(3)bi=ψi(α)ψi′(mα)−ψi′(α)ψi(mα)mξi(α)ψi′(mα)−ξi′(α)ψi(mα)(4)ψi(z)=(zπ2)1/2Ji+1/2(z)(5)ξi(z)=(zπ2)1/2[Ji+1/2(z)−iYi+1/2(z)](6)ψi′(z)=ψi−1(z)−nzψi(z)(7)ξi′(z)=ξi−1(z)−nzξi(z)(8)ai=ψi(α)ψi′(mα)-mψi′(α)ψi(mα)ξi(α)ψi′(mα)-mξi′(α)ψi(mα)(3)bi=ψi(α)ψi′(mα)-ψi′(α)ψi(mα)mξi(α)ψi′(mα)-ξi′(α)ψi(mα)(4)ψi(z)=(zπ2)1/2Ji+1/2(z)(5)ξi(z)=(zπ2)1/2[Ji+1/2(z)-iYi+1/2(z)](6)ψi′(z)=ψi-1(z)-nzψi(z)(7)ξi′(z)=ξi-1(z)-nzξi(z)(8)以上式中:N为气孔率;i为级数求和的次数;ai和bi为第i级子波的电矢量和磁矢量的复振幅系数;z为入射光的方向;θ为光入射方向与散射方向的夹角;Ji+1/2(z)和Yi+1/2(z)分别为半整数阶的第一类、第二类贝塞尔函数;α=2πa/λ为散射粒子的尺度参数,a为散射粒子的半径,λ为光波长;m=n−jn′¯¯¯m=n-jn′¯,为散射粒子相对周围介质的复折射率,实部表示光在介质中的速度与真空中的速度之比,而虚部则反映光的衰减,因此,散射粒子对光的散射就反映在复折射率中。在数值模拟中,选取的初始条件为ξ1(z)=[(sinz+icosz)-(cosz-isinz)]/z,ψ1(z)=sinz/z-cosz,τ1=cosθ,π1=1,其中τ1和π1分别为平等和垂直于观察平面的分量。当一束平行的单色光入射到陶瓷中,因受气孔散射的影响,其光强将会衰减,相应的透过率为T=exp(−π4d2LNKext)(9)Τ=exp(-π4d2LΝΚext)(9)式中:d为气孔的直径;L为陶瓷的厚度。1.2反射系数的计算陶瓷材料的晶界上通常拥有第二相或多相,其光学性能与主晶相不同,从而破坏了陶瓷体的光学均匀性。当单位体积内晶界数量较多、晶粒配置杂乱无序时,入射光透过晶界时,将引起光的连续反射、折射,从而降低光的透过率。而规则的晶粒排列则会为光线提供定向的光通路,从而减少晶界对光的反射。因此,理想的晶界应该是微薄、透过性好、具有光学性质一致性,即没有气孔、没有第二相、没有错位等。当一束光从一个晶粒通过晶界进入第二个晶粒时,将在晶界产生反射和折射。当入射光垂直或接近垂直晶界入射时,其反射系数Rpq为Rpq=(npq−1npq+1)2,npq=npnq,(p,q=1,2)(10)Rpq=(npq-1npq+1)2,npq=npnq,(p,q=1,2)(10)式中:n1为晶粒的折射率;n2为晶界的折射率;n21=n2/n1,为晶粒相对晶界折射率;n12=n1/n2,为晶界相对晶粒折射率。如果一束光依次通过M个相同的晶界后,则相应的透过率为T=(1−Rqp)M(1−Rqp)M(11)Τ=(1-Rqp)Μ(1-Rqp)Μ(11)1.3晶界表面加金属烧结后陶瓷的未处理表面通常有较大的粗糙度,其表面呈微小的凹凸状。光线入射到凹凸表面时会发生散射,且烧结陶瓷的粗糙度越大,散射越明显,透过率就越低。为提高陶瓷的透过率,应对其表面进行研磨和抛光。此外,在晶界处也会存在晶界表面不够光滑的情况。于是,当一束光以特定波长和入射角从一个晶粒通过晶界进入第二个晶粒时,由于晶界表面粗糙,也会在晶界产生散射。根据Rayleigh-Rice矢量微扰理论,当散射角比较小时,即入射角与散射角大致相等时,相应的透射全积分散射为TIS=[2πσλ(n2−n1)]2(12)ΤΙS=[2πσλ(n2-n1)]2(12)式中:σ为RMS粗糙度。如果一束光依次通过M个相同的晶界后,在仅考虑晶界表面粗糙度所引起的散射损耗情况下,相应的透过率为T=[1−2πσλ(n2−n1)]4M(13)Τ=[1-2πσλ(n2-n1)]4Μ(13)2陶瓷透过率与晶界表面粗糙度利用改进连分方法对Mie散射理论有关计算公式进行数值求解,计算得到的陶瓷散射系数、消光系数和透过率随气孔尺寸的变化如图2所示。从图2可以看出,随着散射粒子尺度的增大,散射系数和消光系数逐渐变小,且周期性地出现极大值和极小值,其抖动幅度也逐渐趋于平缓。图3为气孔率不同时,透过率随气孔尺寸的变化。分析图3可知,当气孔率一定时,陶瓷的透过率随散射粒子尺度的增大也周期性地出现极大值和极小值,且气孔率越高,透射率随气孔尺寸的抖动幅度越大;随着气孔率的减小,陶瓷透过率随散射粒子尺度的增大而周期性变化的幅度减小,且透过率明显增大。由于Mie系数中的ai和bi参数均有Ji+1/2(z)因子,而贝塞尔函数具有一定的周期变化特性,从而导致散射系数出现周期性变化,进而使陶瓷的透过率也呈现出周期性变化。从物理学角度上看,可用粒子的“谐振”对上述现象进行解释:在谐振峰值附近,球形粒子出现接近于电磁波振荡本征模式,当入射光波长在球形粒子半径符合谐振条件时,其散射强度大于周围的点,便出现了曲线上的峰值。此外,从图3进一步可以看出,对于尺寸(约1μm)与入射光波长可比拟的气孔来说,随着气孔率的增大,陶瓷的透过率将明显减小。例如,当气孔率为0.3%时,陶瓷透过率为98.6%;当气孔率为1%时,陶瓷透过率约为93%;当气孔率增大到3%时,陶瓷透过率则明显下降到81%左右。由此可见,在陶瓷制备过程中,需要采取合理的气孔排除技术,并重点排除与入射光波长可比拟尺寸的气孔,以尽可能降低气孔对陶瓷透明度的影响。对陶瓷透过率影响较大的因素除了气孔率、杂质颗粒等散射粒子以外,还有晶界结构。例如,对于厚度为1.8mm的YAG多晶陶瓷来说,假设晶粒的平均直径为10μm,晶界厚度为2~10nm,则理论上的晶界数为180个。在只考虑由于晶界存在第二相,即晶界和晶粒折射率不同而引起反射损耗的情况下,根据式(13)可计算得到YAG陶瓷透过率随晶粒相对晶界折射率的变化,其与考虑陶瓷端面剩余反射后的计算结果比较,如图4(a)表示。从图4(a)可以看出:当晶粒相对晶界折射率为1时,即晶界间没有第二相存在,则陶瓷透过率最大。当晶界的折射率与晶粒的折射率相差较大时,入射光透过晶界时,将引起光的连续反射和折射,其透过率将明显降低,例如,当相对折射率为1时,在不考虑陶瓷端面剩余反射等其它因素影响下,陶瓷透过率几乎为100%;当相对折射率为0.9时,陶瓷透过率迅速降低为50%;当相对折射率为0.85时,陶瓷透过率则只有5%左右。此外,当晶界数目增多时,陶瓷的透过率也将明显减小。在晶界结构中除了晶界折射率不同于晶粒折射率而导致陶瓷透过率降低外,晶界表面粗糙度也会引起散射损耗,从而进一步降低陶瓷透过率。图4(b)给出了只考虑晶界表面粗糙度和进一步考虑陶瓷表面粗糙度时的透过率。从图4(b)可以看出,随着晶界表面粗糙度的增加,晶界透过率逐渐减小,从而导致陶瓷的透过率也逐渐减小,且晶界表面粗糙度越大,晶界透过率下降越明显,进而陶瓷透过率下降也越明显。这是因为光线入射到粗糙表面时会发生散射,且晶界的粗糙度越大,散射越明显,透过率则越低。进一步比较图4(a)和图4(b)可以看出,在晶界结构中,晶界折射率不同于晶粒折射率而导致陶瓷透过率降低的程度比晶界表面粗糙度的影响明显得多,因此,在陶瓷制备过程中,需要通过合理改进工艺条件,重点抑制晶界结构中第二相的产生。3气孔排除技术本文从理论上研究了影响激光陶瓷透光