Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2697561C1 - Method of producing transparent high-alloy er:yag-ceramics - Google Patents

Method of producing transparent high-alloy er:yag-ceramics Download PDF

Info

Publication number
RU2697561C1
RU2697561C1 RU2018128749A RU2018128749A RU2697561C1 RU 2697561 C1 RU2697561 C1 RU 2697561C1 RU 2018128749 A RU2018128749 A RU 2018128749A RU 2018128749 A RU2018128749 A RU 2018128749A RU 2697561 C1 RU2697561 C1 RU 2697561C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ceramic powder
yag
hours
minutes
teos
Prior art date
Application number
RU2018128749A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Степанович Лукин
Нелля Александровна Попова
Лиана Тагировна Павлюкова
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority to RU2018128749A priority Critical patent/RU2697561C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2697561C1 publication Critical patent/RU2697561C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/44Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261Milling
    • C04B35/62615High energy or reactive ball milling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62655Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62675Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering characterised by the treatment temperature
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62695Granulation or pelletising
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/632Organic additives
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B28/00Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides
    • C30B29/22Complex oxides
    • C30B29/28Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/02Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/1601Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1608Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth erbium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/163Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H01S3/164Solid materials characterised by a crystal matrix garnet
    • H01S3/1643YAG
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/1685Ceramics
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/1691Solid materials characterised by additives / sensitisers / promoters as further dopants
    • H01S3/1698Solid materials characterised by additives / sensitisers / promoters as further dopants rare earth

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to production of transparent ceramic material with yttrium-aluminum garnet (Er:YAG) structure high-alloyed with erbium ions for use as a laser material in medicine and optical communication. Method involves grinding of ceramic powder obtained by reverse heterophase co-precipitation together with sintering additive, followed by drying, granulation, molding, vacuum sintering, annealing, grinding and polishing, wherein initial components used are powders of oxides of given composition ErYAlO, where n is amount of dopant ion and n=0.3–1.8, obtained by reverse heterophase coprecipitation through sputtering; sintering additive tetraethylorthosilicate (TEOS) in amount of 0.8 wt% is added to the initial ceramic powder of amount of ceramic powder and ground in a planetary-type mill at rate of 100–300 rpm in drums of high-purity zirconium dioxide or in teflon drums with balls from high-purity zirconium dioxide for 20–60 minutes in a medium of deionised water at a ratio of: ceramic powder and TEOS to total amount of grinding bodies and deionised water equal to 1:6.5; deionised water is removed by drying the suspension to obtain a powder granule on a spray dryer at temperature of 100–120 °C; after granulation powders are molded by uniaxial semi-dry pressing at pressure of 50–100 MPa, with exposure for 0–5 minutes with subsequent cold isostatic pre-pressing at pressure of 150–300 MPa and holding time of 1–10 minutes; after isostatic pressing vacuum sintering is carried out at 1750-1,800 °C, holding time is 5–30 hours, degree of vacuum 10–10 Pa, or prior to vacuum sintering step, pressed samples are heat treated at temperature of 600–800 °C, holding time 4–8 hours; samples Er:YAG-ceramics after vacuum sintering are annealed at temperature of 1,300-1,500 °C, holding time 5 hours. Invention uses simple technology which is practically feasible not only for Erions, but also for activation by different rare-earth ions – Yb, But, Dy, Eu, Tm.EFFECT: obtained ceramic material Er:YAG has high light transmittance of more than 86 %, high thermomechanical properties and strong intensity of the fluorescence band at 1½ mcm.4 cl, 3 dwg, 4 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к способу получения прозрачного керамического материала на основе иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) с добавками ионов эрбия для повышения светопропускания прозрачного керамического материала, принадлежащего к области лазерной техники.The present invention relates to a method for producing a transparent ceramic material based on yttrium-aluminum garnet (YAG) with the addition of erbium ions to increase the light transmission of a transparent ceramic material belonging to the field of laser technology.

Уровень техникиState of the art

Основной конфигурацией иона Еr3+ является 4f11, которая предлагает очень богатую электронную структуру уровня. Несколько уровней в видимой и ближней инфракрасной области хорошо разделены для получения излучения. Основным энергетическим состоянием иона эрбия является мультиплет 4I15/2 и 4I13/2, релаксационные переходы между энергетическими уровнями позволяют достигнуть выходной мощности лазера при спектральной области излучения 1,5~1,6 мкм. В матрице Y3Al5O12 ионы Еr3+, замещающие ионы Y3+, находятся в кристаллическом поле тетрагональной симметрии. Лазерные керамические материалы на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия обладают уникальными преимуществами. Коэффициент поглощения света в воде на длине волны 2,94 мкм достигает экстремально высоких значений до 1,9⋅104 см-1. Благодаря этому лазеры на Er3+:Y3Al5O12 получили широкое применение в области медицинских исследований таких как хирургия, косметология, стоматология, а также в оптической связи и в военной промышленности. Это лазерное излучение является безопасным для глаз излучением, с возможностью замены опасных 1 мкм лазеров Nd3+:Y3Al5O12. Поскольку квази-трехуровневые переходы иона Еr3+ обладают низким коэффициентом поглощения источников накачки в диапазоне 1,5-1,6 мкм, это приводит к низкой эффективности лазера. Для повышения интенсивности поглощения накачки и эффективности лазерного пучка на выходе необходимы высокие концентрации легирования ионами эрбия, так как миграция при содействии ап-конверсии, (4I13/2, 4I13/2) → (4I9/2, 4I15/2), может эффективно освободить уровень, с тем, чтобы рециркулировать часть возбуждения на уровень 4I9/2, который релаксирует эту часть возбуждения обратно к излучающему уровню 4I11/2. Другая ап-конверсия от уровня 4I11/2, через (4I11/2, 4I11/2) → (4S3/2, 4I15/2) может уменьшить эффект данной ап-конверсии. Таким образом, эти два процесса ап-конверсии должны быть хорошо сбалансированы, чтобы реализовать квази-трехуровневый переход иона Еr3+.The basic configuration of the Er 3+ ion is 4f 11 , which offers a very rich electronic level structure. Several levels in the visible and near infrared are well separated to receive radiation. The main energy state of the erbium ion is the multiplet 4 I 15/2 and 4 I 13/2 , the relaxation transitions between the energy levels make it possible to achieve the laser output power with a radiation spectral range of 1.5 ~ 1.6 μm. In the Y 3 Al 5 O 12 matrix, Er 3+ ions replacing Y 3+ ions are in a crystal field of tetragonal symmetry. Laser ceramic materials based on yttrium-aluminum garnet doped with erbium ions have unique advantages. The coefficient of light absorption in water at a wavelength of 2.94 μm reaches extremely high values up to 1.9⋅10 4 cm -1 . Due to this, Er 3+ : Y 3 Al 5 O 12 lasers are widely used in medical research such as surgery, cosmetology, dentistry, as well as in optical communications and in the military industry. This laser radiation is eye-safe radiation, with the possibility of replacing dangerous 1 μm Nd 3+ : Y 3 Al 5 O 12 lasers. Since quasi-three-level transitions of the Er 3+ ion have a low absorption coefficient of pump sources in the range of 1.5–1.6 μm, this leads to low laser efficiency. To increase the intensity of pump absorption and the efficiency of the laser beam at the output, high doping concentrations of erbium ions are necessary, since migration is facilitated by up-conversion, ( 4 I 13/2 , 4 I 13/2 ) → ( 4 I 9/2 , 4 I 15/2 ), can effectively release the level so as to recycle the part of the excitation to level 4 I 9/2 , which relaxes this part of the excitation back to the radiating level 4 I 11/2 . Another up-conversion from level 4 I 11/2 , through ( 4 I 11/2 , 4 I 11/2 ) → ( 4 S 3/2 , 4 I 15/2 ) can reduce the effect of this up-conversion. Thus, these two up-conversion processes must be well balanced in order to realize a quasi-three-level transition of the Er 3+ ion.

В различных твердотельных лазерных материалах (монокристалл, стекло), керамика имеет более высокую механическую прочность, высокую теплопроводность, высокий порог разрушения, и достаточно простую технологию получения, в том числе и образцов большего размера. Хотя легирование ионами Er3+ ~ 45,0 ат. % фосфатного, силикатного стекла и твердотельных лазерных монокристаллов ИАГ, позволило получить высокую выходную мощность лазера на длине волны 1,5~1,6 мкм (Georgiou Е, Musset 0, Boquillon JP, Appl.Phys. В: Lasers Opt., 2000, V 70, Р-755; Schweizer Т, Heumann Е, Heine F, Huber G, CLEO/Europe, 1994, V 94, P-389; Georgiou E, Kiriakidi F, Musset 0,0pt. Eng. 2005, V 44 №6, P-4202), но до сих пор не была реализована высокая выходная мощность на длине волны 1,5 мкм и не получены спектральные характеристики на прозрачной керамике Еr:ИАГ. Основной причиной могут быть в более требовательной технологии изготовления прозрачной керамики. Ранее сообщалось (Ling Bing Kong, Y.Z. Huang, W.X. Que, T.S. Zhang "Transparent Ceramics Materials ", 2015, P-91), что оптическое качество керамики Еr:ИАГ оставляет желать лучшего, коэффициент пропускания при 400 нм составляет менее 75%, а легирование керамического материала на основе иттрий-алюминиевого граната ионами Er3+ при концентрации <5,0 ат. % слишком мало, что приводит к снижению эффективности поглощения источника света накачки. Таким образом, особенно важным является повышение оптического качества Er:ИАГ и увеличение концентрации легирующего иона Er3+ в прозрачной керамике.In various solid-state laser materials (single crystal, glass), ceramics have higher mechanical strength, high thermal conductivity, high fracture threshold, and a fairly simple technology for obtaining, including larger samples. Although doping with Er 3+ ions is ~ 45.0 at. % phosphate, silicate glass and solid-state laser single crystals of YAG, allowed to obtain a high output laser power at a wavelength of 1.5 ~ 1.6 μm (Georgiou E, Musset 0, Boquillon JP, Appl.Phys. B: Lasers Opt., 2000, V 70, P-755; Schweizer T, Heumann E, Heine F, Huber G, CLEO / Europe, 1994, V 94, P-389; Georgiou E, Kiriakidi F, Musset 0,0pt. Eng. 2005, V 44 No. 6, P-4202), but until now a high output power at a wavelength of 1.5 μm has not been realized and spectral characteristics on transparent Er: YAG ceramic have not been obtained. The main reason may be in the more demanding technology for manufacturing transparent ceramics. It was previously reported (Ling Bing Kong, YZ Huang, WX Que, TS Zhang "Transparent Ceramics Materials", 2015, P-91) that the optical quality of Er: YAG ceramics is poor, the transmittance at 400 nm is less than 75%, and doping of ceramic material based on yttrium-aluminum garnet with Er 3+ ions at a concentration of <5.0 at. % is too small, which leads to a decrease in the absorption efficiency of the pump light. Thus, it is especially important to increase the optical quality of Er: YAG and increase the concentration of the doping Er 3+ ion in transparent ceramics.

Известен кристалл иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов кобальта Co:Y3Al5O12. Интенсивность насыщения поглощения на длине волны 1,5-1,6 мкм для кристалла составляет 100 МВт/см2 (М.В. Camargo, R.D. Stultz, М. Birnbaum, Opt. Lett., V. 20(3), p. 339, 1995).A known crystal of yttrium-aluminum garnet with an admixture of cobalt ions Co: Y 3 Al 5 O 12 . The absorption saturation intensity at a wavelength of 1.5-1.6 μm for a crystal is 100 MW / cm 2 (M.V. Camargo, RD Stultz, M. Birnbaum, Opt. Lett., V. 20 (3), p. 339, 1995).

Недостатком данного кристалла является большая величина интенсивности насыщения поглощения. Кроме того, производство монокристаллов иттрий-алюминиевого граната Co:Y3Al5O12 является дорогостоящим.The disadvantage of this crystal is the large value of the intensity of saturation of absorption. In addition, the production of single crystals of yttrium-aluminum garnet Co: Y 3 Al 5 O 12 is expensive.

Известен способ получения поликристаллического иттрий-алюминиевого граната, который может быть допирован редкоземельными элементами, выбранными из Nd, Yb, Sc, Pr, Eu, Er (US 7022262, 04.04.2006).A known method of producing polycrystalline yttrium-aluminum garnet, which can be doped with rare earth elements selected from Nd, Yb, Sc, Pr, Eu, Er (US 7022262, 04.04.2006).

Однако способы получения известных материалов являются достаточно сложными.However, methods for producing known materials are quite complex.

Аналогом, выбранным в качестве прототипа по совокупности совпадения характерных признаков, является способ получения высоколегированного ионами эрбия прозрачного керамического материала со структурой иттрий-алюминиевого граната, включающий использование в качестве исходных порошков оксидов заданного состава ErnY(3-n)Al5O12, где n - количество легирующего иона и n=0,9-2,7, измельчение исходного керамического порошка вместе со спекающей добавкой: тетраэтилортосиликатом в количестве 0,5-1,5 мас. % на мельнице шарами из оксида алюминия, с последующей сушкой, прокаливанием при 300-800°С, вакуумным спеканием при 1700-1850°С и давлении менее ⋅10-3 Па, отжигом при 1400-1550°С, шлифовкой и полировкой (CN 102211942 А, 12.10.2011).An analogue selected as a prototype based on the combination of characteristic features is a method for producing a transparent ceramic material highly doped with erbium ions with the structure of yttrium-aluminum garnet, including the use of Er n Y (3-n ) Al 5 O 12 as the initial powder of oxides, where n is the amount of doping ion and n = 0.9-2.7, grinding of the original ceramic powder together with a sintering additive: tetraethylorthosilicate in an amount of 0.5-1.5 wt. % in the mill with balls of aluminum oxide, followed by drying, calcining at 300-800 ° С, vacuum sintering at 1700-1850 ° С and pressure less than ⋅10 -3 Pa, annealing at 1400-1550 ° С, grinding and polishing (CN 102211942 A, 12/10/2011).

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Целью настоящего изобретения является способ получения прозрачного высоколегированного ионами эрбия керамического материала на основе иттрий-алюминиевого граната. По настоящему изобретению высоколегированная Еr:ИАГ- прозрачная керамика, имеет размер зерен 5-15 мкм, концентрация ионов Еr3+ 10,0 ат. % - 60,0 ат. %, светопропускание на длине волны 400 нм более 85%, при возбуждении источником накачки на длине волны 940 нм интегральное сечение полосы излучения флуоресценции материала при 1,53-1,61 мкм более 1,5⋅10-20 см2, прочность на изгиб более 300 МПа.The aim of the present invention is a method for producing a transparent high doped with erbium ions ceramic material based on yttrium-aluminum garnet. According to the present invention, highly doped Er: YAG is a transparent ceramic, has a grain size of 5-15 μm, an ion concentration of Er 3+ is 10.0 at. % - 60.0 at. %, light transmission at a wavelength of 400 nm more than 85%, when excited by a pump source at a wavelength of 940 nm, the integral cross section of the fluorescence emission band of the material at 1.53-1.61 μm is more than 1.5⋅10 -20 cm 2 , bending strength more than 300 MPa.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, заключается в создании материала в качестве активной среды лазера на основе поликристаллического иттрий-алюминиевого граната (Y3Al5O12), высоколегированного ионами эрбия (10,0 ат. % - 60,0 ат. % по отношению к атому иттрия), содержащего в качестве спекающей добавки тетраэтилортосиликат (ТЭОС), с улучшенными спектральными и термомеханическими характеристиками. Коэффициент светопропускания в ближней инфракрасной области спектра 86,6%, Эмиссия поперечного сечения полос излучения при возбуждении источником накачки на длине волны 940 нм 5,2⋅10-20 см2 (1530 нм) и 5,6⋅10-20 см2 (1616 нм). Прочность при изгибе 320 МПа.The technical problem solved by the present invention is to create a material as an active medium of a laser based on polycrystalline yttrium-aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12 ), highly doped with erbium ions (10.0 at.% - 60.0 at.% in relation to the yttrium atom), containing tetraethylorthosilicate (TEOS) as a sintering additive, with improved spectral and thermomechanical characteristics. Light transmittance in the near infrared region of the spectrum 86.6%, Emission of the cross section of the emission bands when excited by a pump source at a wavelength of 940 nm 5.2 510 -20 cm 2 (1530 nm) and 5.6⋅10 -20 cm 2 ( 1616 nm). Flexural strength 320 MPa.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что стадии получения по настоящему изобретению включают в себя:The specified technical result is achieved due to the fact that the production steps of the present invention include:

(1) Метод обратного гетерофазного соосаждения через распыление обычно применяется как способ получения однофазного керамического порошка, в данном методе происходит равномерное смешение различных компонентов на атомарном уровне, получаемый порошок имеет дисперсность по величине удельной поверхности более 20 м2/г, имеющий высокую активность к спеканию.(1) The method of reverse heterophase coprecipitation through sputtering is usually used as a method for producing a single-phase ceramic powder, in this method there is a uniform mixing of various components at the atomic level, the resulting powder has a dispersion in the specific surface area of more than 20 m 2 / g, which has a high sintering activity .

(2) Использование спекающих добавок в виде SiO2 или ТЭОС чистотой >99,99% в количестве 10-2-10-4 ррm, предпочтительно ТЭОС, в количестве 0,8% от массы порошка.(2) The use of sintering additives in the form of SiO2 or TEOS with a purity of> 99.99% in an amount of 10 -2 -10 -4 ppm, preferably TEOS, in an amount of 0.8% by weight of the powder.

(3) Керамический порошок заданного состава ErnY(3-n)Al5O12, где n - количество легирующего иона; n=0,3-1,8 и спекающую добавку ТЭОС 0,8% от массы порошка смешивают в мельнице. В качестве мелющей оснастки используют тефлоновый барабан или барабан из высокочистого диоксида циркония, мелющие тела - шары из высокочистого диоксида циркония; смешение проводят в среде деионизированной воды, этанола или изопропилового спирта; скорость планетарной мельницы 100-300 об/мин, время смешивания составляет 20-60 минут.(3) Ceramic powder of a given composition Er n Y (3-n) Al 5 O 12 , where n is the amount of doping ion; n = 0.3-1.8 and sintering additive TEOS 0.8% by weight of the powder is mixed in a mill. As a grinding tool, a teflon drum or a drum of high-purity zirconium dioxide is used; grinding bodies are balls of high-purity zirconium dioxide; the mixture is carried out in an environment of deionized water, ethanol or isopropyl alcohol; the speed of the planetary mill is 100-300 rpm, the mixing time is 20-60 minutes.

(4) Суспензию после смешивания сушат на распылительной сушилке при 100-120°С, с последующей грануляцией.(4) The suspension after mixing is dried on a spray dryer at 100-120 ° C, followed by granulation.

(5) После сушки порошок формуют методом одноосного полусухого прессования; давление прессования 50-100 МПа, выдержка 0-5 минут.(5) After drying, the powder is formed by uniaxial semi-dry pressing; pressing pressure 50-100 MPa, holding time 0-5 minutes.

(6) Холодное изостатическое прессование проводят при давлении 150-300 МПа, время выдержки 1-10 мин, относительная плотность прессованных образцов 45-65%.(6) Cold isostatic pressing is carried out at a pressure of 150-300 MPa, the exposure time is 1-10 minutes, the relative density of the pressed samples is 45-65%.

(7) После холодного изостатического прессования проводят вакуумное спекание; Температура спекания 1750-1800°С, время выдержки составляет 5-30 часов, степень вакуума 10-4 - 10-6 Па;(7) After cold isostatic pressing, vacuum sintering is carried out; The sintering temperature is 1750-1800 ° C, the exposure time is 5-30 hours, the degree of vacuum is 10 -4 - 10 -6 Pa;

(8) Образцы Еr:ИАГ - керамики после вакуумного спекания отжигают на воздухе, нагревая до 1300-1500°С со скоростью нагрева 1-5°С/мин, время выдержки 5 часов, охлаждают до 400-600°С со скоростью 1-10°С/мин, далее с печью. Основной целью отжига является удаление примесей углерода, ионов Еr2+ и восполнение дефицита кислорода; ионы Еr2+ и дефицит кислорода может приводить к пониженной эффективности передачи энергии Еr3+→Еr3+ (4I13/24I15/2).(8) Samples of Er: YAG - ceramics after vacuum sintering are annealed in air, heated to 1300-1500 ° C at a heating rate of 1-5 ° C / min, the exposure time is 5 hours, cooled to 400-600 ° C at a speed of 1- 10 ° C / min, then with the oven. The main purpose of annealing is the removal of carbon impurities, Er 2+ ions and replenishment of oxygen deficiency; Er 2+ ions and oxygen deficiency can lead to reduced energy transfer efficiency Er 3+ → Er 3+ ( 4 I 13/24 I 15/2 ).

Заявляемая концентрация спекающей добавки ТЭОС 0,8 мас. % обусловлена тем, что при концентрации, меньшей 0,8 мас. % наблюдается появление центров окраски в результате вхождения ионов Si4+ в структуру Еr:ИАГ в октаэдрических позициях, и имеющие собственные полосы поглощения и люминесценции, наличие которых ухудшает условия и параметры лазерной генерации, а при концентрации, большей 0,8 мас. % наблюдается фазовое разделение по границам кристаллов (Er,Y)3Al5O12 приводящее к потерям на рассеяния и как результат снижение коэффициента светопропускания материала (до 65%) и потере термомеханической прочности до 100 МПа.The claimed concentration of sintering additive TEOS 0.8 wt. % due to the fact that at a concentration of less than 0.8 wt. %, the appearance of color centers is observed as a result of the incorporation of Si 4+ ions into the Er: YAG structure in octahedral positions, and having their own absorption and luminescence bands, the presence of which worsens the conditions and parameters of laser generation, and at a concentration greater than 0.8 wt. % there is a phase separation along the boundaries of (Er, Y) 3 Al 5 O 12 crystals leading to scattering losses and, as a result, a decrease in the light transmittance of the material (up to 65%) and a loss of thermomechanical strength to 100 MPa.

Еr:ИАГ прозрачная керамика, полученная в соответствии с настоящим изобретением, отличающаяся тем, что относительная плотность керамического материала более 99,99% от теоретической плотности, обладает высокой термомеханическими и оптическими свойствами, границы зерен без пор и зерен второй фазы, размер зерен 5-15 мкм, концентрация ионов Еr3+ керамического материала составляет 10,0 ат. % - 60,0 ат. %. Способный излучать перестраиваемое лазерное излучение в двух спектральных областях - от 0,55 до 0,65 мкм и от 1,53 до 1,61 мкм при накачке, например, Ti-сапфирового лазера в полосу поглощения 940 нм.Er: YAG transparent ceramic obtained in accordance with the present invention, characterized in that the relative density of the ceramic material is more than 99.99% of the theoretical density, has high thermomechanical and optical properties, grain boundaries without pores and grains of the second phase, grain size 5- 15 μm, the concentration of Er 3+ ions of the ceramic material is 10.0 at. % - 60.0 at. % Able to emit tunable laser radiation in two spectral regions - from 0.55 to 0.65 microns and from 1.53 to 1.61 microns when pumping, for example, a Ti-sapphire laser into an absorption band of 940 nm.

Сбалансированный процесс ап-конверсии при концентрации ионов Еr3+>10,0 ат. % способствует увеличению коэффициента поглощения накачки. Кроме того, материал имеет высокое оптическое качество, светопропускание на длине волны 400 нм составляет более 86,6%, на спектре флуоресценции на 1,53 мкм присутствует сильная интенсивность излучения. По теории Джадда-Офельта на полученном материале на длине волны 1,53-1,61 мкм можно достичь выходной мощности лазера. При возбуждении источником накачки на длине волны 940 нм, интегральное сечение полосы излучения флуоресценции материала при 1,53 мкм больше, чем 5,0⋅10-20 см2, что свидетельствует о высокой квантовой эффективности 4I13/2 уровня и о возможности реализовать выходную мощность лазера (Caird J.A, Deshazer L.G, Nella J, Ieee J. Quant. Electr, V11, p. 874 (1975). Данный керамический материал пригоден для крупномасштабного производства и использования в медицине, связи и других областях физики твердотельного лазера.A balanced up-conversion process with an Er 3+ ion concentration> 10.0 at. % helps to increase the absorption coefficient of the pump. In addition, the material has high optical quality, light transmission at a wavelength of 400 nm is more than 86.6%, and a strong radiation intensity is present in the fluorescence spectrum at 1.53 μm. According to the Judd-Ofelt theory, the laser output power can be achieved on the obtained material at a wavelength of 1.53-1.61 μm. When excited by a pump source at a wavelength of 940 nm, the integral cross section of the fluorescence emission band of the material at 1.53 μm is greater than 5.0 × 10 −20 cm 2 , which indicates a high quantum efficiency of the 4 I 13/2 level and the possibility of realizing laser output power (Caird JA, Deshazer LG, Nella J, Ieee J. Quant. Electr, V11, p. 874 (1975). This ceramic material is suitable for large-scale production and use in medicine, communications, and other fields of solid-state laser physics.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

В соответствии с настоящим изобретением, технология изготовления высоколегированной Еr:ИАГ - прозрачной керамики позволяет точно контролировать концентрацию ионов заместителей, и позволяет сформировать произвольные формы образцов.In accordance with the present invention, the manufacturing technology of highly doped Er: YAG - transparent ceramics allows precise control of the concentration of substituent ions, and allows the formation of arbitrary shapes of samples.

Исходные соединения прекурсоров предпочтительно использовать чистотой 99,99% или более высокой чистоты, чтобы минимизировать неизвестные неконтролируемые примеси, присутствующие в конечной композиции, что может повлиять на светопропускание и эффективность поглощения.Precursor precursor compounds are preferably used with a purity of 99.99% or higher purity in order to minimize unknown uncontrolled impurities present in the final composition, which can affect light transmission and absorption efficiency.

Получаемый керамический порошок состава ErnY(3-n)Al5O12, где n - количество легирующего иона; n=0,3-1,8 методом обратного гетерофазного соосаждения. К полученному керамическому порошку добавляют определенное количество спекающей добавки, предпочтительно ТЭОС, 0,8 мас. %, измельчают на планетарной мельнице в среде дионезировонной воды, используя в качестве мелющей оснастки тефлон. Время измельчения составляет 20-60 минут. После измельчения, сушки и грануляции через распылительную сушилку, предпочтительно температура в распылительной сушилке на входе 100°С - 120°С, формуют образцы заданного размера. Для формования применяют метод одноосного прессования при давлении прессования 50-100 МПа, выдержка 0-5 минут с последующей холодной изостатической допрессовкой при давлении 150-300 МПа, выдержка 1-10 минут. После холодного изостатического прессования отформованные образцы термообрабатывают на воздухе, в среде водорода или инертного газа, такой как, но, не ограничиваясь этим, гелий (Не), неон (Ne), аргон (Аr), криптон (Kr), ксенон (Хе), и их смесей при температуре 600-800°С, скоростью нагрева 1-3°С/мин., время выдержки 4-8 часов. После термообработки проводят вакуумное спекание. Температура спекания 1750-1800°С, время выдержки составляет 5-30 часов, степень вакуума 10-3 - 10-5 Па. Образцы Еr:ИАГ - керамики после вакуумного спекания отжигают на воздухе, нагревая до 1300-1500°С со скоростью нагрева 1-5°С/мин, время выдержки 5 часов, охлаждают до 400-600°С со скоростью 1-10°С/мин, далее с печью.The resulting ceramic powder of the composition Er n Y (3-n) Al 5 O 12 , where n is the amount of doping ion; n = 0.3-1.8 by reverse heterophase coprecipitation. A certain amount of sintering additive is added to the obtained ceramic powder, preferably TEOS, 0.8 wt. %, crushed in a planetary mill in a medium of diazonized water, using Teflon as a grinding tool. The grinding time is 20-60 minutes. After grinding, drying and granulation through a spray dryer, preferably a temperature in the spray dryer at an inlet of 100 ° C. to 120 ° C., samples of a predetermined size are formed. For molding, the uniaxial pressing method is used at a pressing pressure of 50-100 MPa, holding is 0-5 minutes, followed by cold isostatic pressing at a pressure of 150-300 MPa, holding is 1-10 minutes. After cold isostatic pressing, the molded samples are heat treated in air, in an atmosphere of hydrogen or an inert gas, such as, but not limited to, helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) , and mixtures thereof at a temperature of 600-800 ° C, heating rate of 1-3 ° C / min., holding time 4-8 hours. After heat treatment, vacuum sintering is carried out. The sintering temperature is 1750-1800 ° C, the exposure time is 5-30 hours, the degree of vacuum is 10 -3 - 10 -5 Pa. Samples of Er: YAG - ceramics after vacuum sintering are annealed in air, heated to 1300-1500 ° C at a heating rate of 1-5 ° C / min, holding time is 5 hours, cooled to 400-600 ° C at a speed of 1-10 ° C / min, then with the oven.

На фиг. 1 показан спектр флуоресценции прозрачной керамики Еr:ИАГ, содержащий 10,0 ат. % ; 30,0 ат. % ; 50,0 ат. % ; 60,0 ат. % ионов Еr3+, полоса наибольшей интенсивности находится на уровне 1,53-1,61 мкм.In FIG. 1 shows the fluorescence spectrum of Er: YAG transparent ceramics containing 10.0 at. %; 30.0 at. %; 50.0 at. %; 60.0 at. % Er 3+ ions, the band of the highest intensity is at the level of 1.53-1.61 microns.

На фиг. 2 показан график светопропускания прозрачной керамики Еr:ИАГ, содержащий 10,0 ат. % ; 30,0 ат. % ; 60,0 ат. % ионов Еr3+, коэффициент светопропускания образцов 85,4%; 85,8%; 86,6% соответственно.In FIG. 2 shows a graph of the light transmission of Er: YAG transparent ceramics containing 10.0 at. %; 30.0 at. %; 60.0 at. % Er 3+ ions, light transmission coefficient of samples 85.4%; 85.8%; 86.6%, respectively.

На фиг. 3 скол поверхности образцов Еr:ИАГ - прозрачной керамики а) 10,0 ат. % Еr:ИАГ; б) 30,0 ат. % Еr:ИАГ; в) 60,0 ат. % Еr:ИАГ, показывающие внутренние зерна с помощью сканирующего электронного микроскопа. Врезка показывает фотографию зеркально-полированной Еr:ИАГ - керамики. Зерна без включения второй фазы на границе зерен и в зерне, средний размер зерен 15; 9; 5 мкм соответственно.In FIG. 3 cleaved surface of Er: YAG samples - transparent ceramics a) 10.0 at. % Er: YAG; b) 30.0 at. % Er: YAG; c) 60.0 at. % Er: YAG showing internal grains using a scanning electron microscope. The inset shows a photograph of a mirror-polished Er: YAG - ceramic. Grains without the inclusion of the second phase at the grain boundary and in the grain, the average grain size of 15; 9; 5 μm, respectively.

Конкретные примеры иллюстрируют настоящее изобретение, но не ограничиваются вариантами осуществления.Specific examples illustrate the present invention, but are not limited to the options for implementation.

Пример 1. Керамический порошок, полученный методом обратного гетерофазного соосаждения и ТЭОС в количестве 0,8% от массы керамического порошка, мелющие тела, деионизированная, соответствующему соотношению: керамический порошок и ТЭОС к суммарному количеству вода мелющие тела и деионизированная вода равному 1:6,5 погружают в барабан мельницы из тефлона измельчают в течение 60 минут, скорость планетарной мельницы 100 об/мин. После высушивания и грануляции в распылительной сушилке при 100°С, порошок формуют одноосным прессованием при давлении 50 МПа в образцы диаметром 20 мм, потом при давлении 150 МПа холодным изостатическим прессованием для дальнейшего увеличения плотности. Отпрессованные образцы термообрабатывают на воздухе при 600°С. Нагрев осуществляют следующим образом: от комнатной температуры до 600°С при скорости 1°С/мин, время выдержки при 600°С составляет 8 часов. После термообработки образцы помещают в вольфрамовую печь. Нагрев печи осуществляется следующим образом: от комнатной температуры до 1450°С при скорости 5°С/мин, с 1450°С до 1800°С при скорости 3°С/мин, время выдержки при 1800°С составляет 10 часов, степень вакуума 10-6 Па. Охлаждение ведется с 1800°С до 1500°С при скорости 5°С/мин, после 1500°С охлаждение с печью. В результате получен керамический материал высокой относительной плотности >99,99% состава 60,0 ат. % Еr:ИАГ. Режим отжига образцов: подъем до 1500°С со скоростью 5°С/мин, времени выдержки при 1500°С 5 часов, охлаждение ведут со скоростью 10°С/мин до 600°С, далее с печью. После механической шлифовки и полировки алмазными пастами поверхности керамики, образцы доведены до толщины 1 мм. Вид и структура образца показана на фиг. 3в. Спектр флуоресценции образца с накачкой при 940 нм показан на фиг. 1, полоса наибольшей интенсивности находится на уровне 1,53 мкм, соответствующая переходу 4I13/24I15/2, что является необходимым условием для потенциального применения в качестве лазерного материала.Example 1. Ceramic powder obtained by the method of reverse heterophasic coprecipitation and TEOS in the amount of 0.8% by weight of ceramic powder, grinding bodies, deionized, the corresponding ratio: ceramic powder and TEOS to the total amount of water grinding bodies and deionized water equal to 1: 6, 5 immersed in a drum mills of Teflon are crushed for 60 minutes, the speed of a planetary mill is 100 rpm. After drying and granulation in a spray dryer at 100 ° C, the powder is formed by uniaxial pressing at a pressure of 50 MPa into samples with a diameter of 20 mm, then at a pressure of 150 MPa by cold isostatic pressing to further increase the density. The pressed samples are heat treated in air at 600 ° C. Heating is carried out as follows: from room temperature to 600 ° C at a speed of 1 ° C / min, the exposure time at 600 ° C is 8 hours. After heat treatment, the samples are placed in a tungsten furnace. The furnace is heated as follows: from room temperature to 1450 ° C at a speed of 5 ° C / min, from 1450 ° C to 1800 ° C at a speed of 3 ° C / min, the exposure time at 1800 ° C is 10 hours, the degree of vacuum is 10 -6 Pa. Cooling is carried out from 1800 ° C to 1500 ° C at a speed of 5 ° C / min, after 1500 ° C cooling with the furnace. As a result, a ceramic material of high relative density> 99.99% with a composition of 60.0 at. % Er: YAG. Sample annealing mode: rise to 1500 ° C at a speed of 5 ° C / min, holding time at 1500 ° C for 5 hours, cooling is carried out at a speed of 10 ° C / min to 600 ° C, then with the furnace. After mechanical grinding and polishing with diamond pastes on the ceramic surface, the samples were brought to a thickness of 1 mm. The view and structure of the sample is shown in FIG. 3c. The fluorescence spectrum of a pumped sample at 940 nm is shown in FIG. 1, the band of the highest intensity is at the level of 1.53 μm, corresponding to the transition 4 I 13/24 I 15/2 , which is a necessary condition for potential use as a laser material.

Пример 2. Повторяют методику изготовления образцов по примеру 1, после стадии формования, образцы термообрабатывают при 800°С, со скоростью нагрева 3°С/мин, время выдержки 4 часа. Последующие стадии спекания, отжига и полировки ведут по примеру 1. В результате получен керамический материал высокой относительной плотности >99,99% состава 50,0 ат. % Еr:ИАГ. Кривая светопропускания представлена на фиг. 2. Существенной разницы между примером 1 и полученными образцами в данном примере не обнаружено.Example 2. Repeat the method of manufacturing samples according to example 1, after the molding stage, the samples are heat treated at 800 ° C, with a heating rate of 3 ° C / min, the exposure time is 4 hours. The subsequent stages of sintering, annealing and polishing are carried out according to example 1. As a result, a ceramic material of high relative density> 99.99% of a composition of 50.0 at. % Er: YAG. The light transmission curve is shown in FIG. 2. There was no significant difference between example 1 and the obtained samples in this example.

Пример 3. Керамический порошок, полученный методом обратного гетерофазного соосаждения и ТЭОС в количестве 0,8% от массы керамического порошка, мелющие тела, деионизированная вода, соответствующему соотношению: керамический порошок и ТЭОС к суммарному количеству мелющих тел и деионизированная вода, равному 1:6,5 погружают в барабан мельницы из тефлона и измельчают в течение 20 минут, скорость планетарной мельницы 300 об/мин. Сушку и грануляцию керамического порошка проводят аналогично примеру 1. Порошок формуют одноосным прессованием при давлении 100 МПа в образцы диаметром 30 мм, после при давлении 300 МПа холодным изостатическим прессованием для дальнейшего увеличения плотности. Отпрессованные образцы помещают в вольфрамовую печь. Нагрев печи осуществляется следующим образом: от комнатной температуры до 1750°С при скорости 5°С/мин, время выдержки 30 часов, степень вакуума 10-4 Па. Охлаждение ведется с 1750°С до 1200°С при скорости 10°С/мин, после 1200°С охлаждение с печью. В результате получен керамический материал высокой относительной плотности >99,99% состава 10,0 ат. % Еr:ИАГ. Режим отжига образцов: подъем до 1300°С со скоростью 1°С/мин, времени выдержки при 1300°С 5 часов, охлаждение ведут со скоростью 10°С/мин до 400°С, далее с печью. После механической шлифовки и полировки алмазными пастами поверхности керамики, образцы доведены до толщины 1 мм. Вид и структура образца показана на фиг. 3а. Спектр флуоресценции показан на фиг. 2, полоса наибольшей интенсивности находится на уровне 1,61 мкм.Example 3. Ceramic powder obtained by the method of reverse heterophasic coprecipitation and TEOS in the amount of 0.8% by weight of ceramic powder, grinding media, deionized water, the corresponding ratio: ceramic powder and TEOS to the total number of grinding media and deionized water, equal to 1: 6 5 are immersed in a drum of a Teflon mill and ground for 20 minutes, the speed of a planetary mill is 300 rpm. Drying and granulation of the ceramic powder is carried out analogously to example 1. The powder is formed by uniaxial pressing at a pressure of 100 MPa into samples with a diameter of 30 mm, then at a pressure of 300 MPa by cold isostatic pressing to further increase the density. The pressed samples are placed in a tungsten furnace. The furnace is heated as follows: from room temperature to 1750 ° C at a speed of 5 ° C / min, holding time 30 hours, the degree of vacuum 10 -4 Pa. Cooling is carried out from 1750 ° C to 1200 ° C at a speed of 10 ° C / min, after 1200 ° C cooling with a furnace. As a result, a ceramic material of high relative density> 99.99% composition of 10.0 at. % Er: YAG. Sample annealing mode: rise to 1300 ° C at a speed of 1 ° C / min, holding time at 1300 ° C for 5 hours, cooling is carried out at a speed of 10 ° C / min to 400 ° C, then with a furnace. After mechanical grinding and polishing with diamond pastes on the ceramic surface, the samples were brought to a thickness of 1 mm. The view and structure of the sample is shown in FIG. 3a. The fluorescence spectrum is shown in FIG. 2, the band of greatest intensity is at 1.61 microns.

Пример 4. Керамический порошок, полученный методом обратного гетерофазного соосаждения и ТЭОС в количестве 0,8% от массы керамического порошка, мелющие тела, деионизированная вода, соответствующему соотношению: керамический порошок и ТЭОС к суммарному количеству мелющие тела и деионизированная вода равному 1:5 погружают в барабан мельницы из высокочистого диоксида циркония и измельчают в течение 20 минут, скорость планетарной мельницы 300 об/мин. После высушивания на распылительной сушилке при 120°С, порошок гранулируют. Порошок формуют одноосным прессованием при давлении 50 МПа в образцы диаметром 15 мм. Далее следуют стадии аналогично примеру 3. В результате получен прозрачный керамический материал состава 30,0 ат. % Еr:ИАГ. Режим отжига образцов: подъем до 1500°С со скоростью 10°С/мин, времени выдержки при 1500°С 5 часов, охлаждение ведут со скоростью 1°С/мин до 600°С, далее с печью. После механической шлифовки и полировки алмазными пастами поверхности керамики, образцы доведены до толщины 1 мм. Вид и структура образца показана на фиг. 3б. Кривая светопропускания представлена на фиг. 2.Example 4. Ceramic powder obtained by the method of reverse heterophasic coprecipitation and TEOS in the amount of 0.8% by weight of ceramic powder, grinding media, deionized water, the corresponding ratio: ceramic powder and TEOS to the total amount of grinding media and deionized water equal to 1: 5 is immersed into a drum mill from high-purity zirconium dioxide and ground for 20 minutes, the speed of a planetary mill is 300 rpm. After drying on a spray dryer at 120 ° C, the powder is granulated. The powder is formed by uniaxial pressing at a pressure of 50 MPa into samples with a diameter of 15 mm. The following stages are carried out analogously to example 3. As a result, a transparent ceramic material of 30.0 at. % Er: YAG. Sample annealing mode: rise to 1500 ° C at a speed of 10 ° C / min, holding time at 1500 ° C for 5 hours, cooling is carried out at a speed of 1 ° C / min to 600 ° C, then with an oven. After mechanical grinding and polishing with diamond pastes on the ceramic surface, the samples were brought to a thickness of 1 mm. The view and structure of the sample is shown in FIG. 3b. The light transmission curve is shown in FIG. 2.

Таким образом, заявленный способ получения высоколегированного ионами эрбия прозрачного керамического материала со структурой ИАГ позволяет получать Еr:ИАГ - прозрачную керамику, концентрация ионов Еr3+ 10,0 ат. % - 60,0 ат. %,со светопропусканием на длине волны 400 нм более 85%, прочностью на изгиб более 300 МПа, при возбуждении источником накачки на длине волны 940 нм, интегральное сечение полосы излучения флуоресценции материала при 1,53-1,61 мкм более 5⋅10-20 см2, соответствующая переходу 4I13/24I15/2, что является необходимым условием для потенциального применения в качестве лазерного материала.Thus, the claimed method of producing a transparent ceramic material highly doped with erbium ions with a YAG structure allows one to obtain Er: YAG - a transparent ceramic, the ion concentration of Er 3+ is 10.0 at. % - 60.0 at. %, with light transmission at a wavelength of 400 nm more than 85%, bending strength more than 300 MPa, when excited by a pump source at a wavelength of 940 nm, the integral cross section of the fluorescence emission band of the material at 1.53-1.61 μm is more than 5 более10 - 20 cm 2 , corresponding to the transition 4 I 13/24 I 15/2 , which is a prerequisite for potential use as a laser material.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного способа получения высоколегированного ионами эрбия прозрачного керамического материала со структурой ИАГ не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».A comparative analysis of the claimed invention showed that the set of essential features of the claimed method for producing a transparent ceramic material highly alloyed with erbium ions with a YAG structure is not known from the prior art and therefore corresponds to the patentability condition “Novelty”.

В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».In the prior art there were no signs that coincided with the distinguishing features of the claimed invention and affecting the achievement of the claimed technical result, therefore, the claimed invention meets the patentability condition "Inventive step".

Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного способа для получения высоколегированного ионами эрбия прозрачного керамического материала со структурой ИАГ, может быть использована в химической промышленности и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».The above information confirms the possibility of using the claimed method for producing a transparent ceramic material highly alloyed with erbium ions with a YAG structure, can be used in the chemical industry and therefore meets the patentability condition “Industrial Applicability”.

Claims (10)

1. Способ получения высоколегированного ионами эрбия прозрачного керамического материала со структурой иттрий-алюминиевого граната (Er:ИАГ), включающий полученный методом обратного гетерофазного соосаждения керамический порошок, который измельчают вместе со спекающей добавкой, с последующей сушкой, грануляцией, формованием, вакуумным спеканием, отжигом, шлифовкой и полировкой, отличающийся тем, что:1. A method of producing a transparent ceramic material highly doped with erbium ions with the structure of yttrium-aluminum garnet (Er: YAG), comprising a ceramic powder obtained by reverse heterophase coprecipitation, which is ground together with a sintering additive, followed by drying, granulation, molding, vacuum sintering, annealing grinding and polishing, characterized in that: (1) в качестве исходных компонентов используются порошки оксидов заданного состава ErnY(3-n)Al5O12, где n - количество легирующего иона и n=0,3-1,8, получаемые методом обратного гетерофазного соосаждения через распыление;(1) oxide powders of a given composition Er n Y (3-n) Al 5 O 12 are used as starting components, where n is the amount of the doping ion and n = 0.3-1.8 obtained by the method of reverse heterophase coprecipitation by sputtering; (2) к исходному керамическому порошку добавляют спекающую добавку тетраэтилортосиликат (ТЭОС) в количестве 0,8 мас. % от количества керамического порошка и измельчают на мельнице планетарного типа со скоростью 100-300 об/мин в барабанах из высокочистого диоксида циркония или в тефлоновых барабанах шарами из высокочистого диоксида циркония в течение 20-60 минут в среде деионизированной воды при соотношении: керамический порошок и ТЭОС к суммарному количеству мелющих тел и деионизированной воды, равном 1:6,5;(2) to the initial ceramic powder, sintering additive tetraethylorthosilicate (TEOS) in the amount of 0.8 wt. % of the amount of ceramic powder and crushed in a planetary mill at a speed of 100-300 rpm in drums of high purity zirconium dioxide or in teflon drums with balls of high purity zirconium dioxide for 20-60 minutes in an environment of deionized water with the ratio of ceramic powder and TEOS to the total amount of grinding media and deionized water equal to 1: 6.5; (3) деионизированную воду удаляют путем сушки суспензии с получением гранул-порошка на распылительной сушилке при температуре 100-120°С;(3) deionized water is removed by drying the suspension to obtain a granule powder in a spray dryer at a temperature of 100-120 ° C; (4) после грануляции порошки формуют методом одноосного полусухого прессования при давлении 50-100 МПа, с выдержкой 0-5 минут с последующей холодной изостатической допрессовкой при давлении 150-300 МПа и времени выдержки 1-10 минут;(4) after granulation, the powders are formed by uniaxial semi-dry pressing at a pressure of 50-100 MPa, with a holding time of 0-5 minutes, followed by cold isostatic pressing at a pressure of 150-300 MPa and a holding time of 1-10 minutes; (5) после изостатического прессования проводят вакуумное спекание при 1750-1800°С, время выдержки составляет 5-30 часов, степень вакуума 10-4-10-6 Па, или до стадии вакуумного спекания прессованные образцы термообрабатывают при температуре 600-800°С, время выдержки 4-8 часов;(5) after isostatic pressing, vacuum sintering is carried out at 1750-1800 ° C, the exposure time is 5-30 hours, the degree of vacuum is 10 -4 -10 -6 Pa, or until the stage of vacuum sintering, the pressed samples are heat treated at a temperature of 600-800 ° C , exposure time 4-8 hours; (6) образцы Er:ИАГ-керамики после вакуумного спекания отжигают при температуре 1300-1500°С, время выдержки 5 часов.(6) Er samples: YAG ceramics after vacuum sintering are annealed at a temperature of 1300-1500 ° C, the exposure time is 5 hours. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после стадии формования образцы термообрабатывают при 800°С со скоростью нагрева 3°С/мин, время выдержки 4 часа.2. The method according to p. 1, characterized in that after the molding stage, the samples are heat treated at 800 ° C with a heating rate of 3 ° C / min, the exposure time is 4 hours. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамический порошок и ТЭОС измельчают на планетарной мельнице со скоростью 300 об/мин в течение 20 мин.3. The method according to p. 1, characterized in that the ceramic powder and TEOS are crushed in a planetary mill at a speed of 300 rpm for 20 minutes 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамический порошок и ТЭОС при отношении к суммарному количеству мелющих тел и деионизированной воды, равном 1:5, измельчают в барабанах из высокочистого диоксида циркония.4. The method according to p. 1, characterized in that the ceramic powder and TEOS, in relation to the total amount of grinding media and deionized water, equal to 1: 5, are ground in drums from high-purity zirconia.
RU2018128749A 2018-08-07 2018-08-07 Method of producing transparent high-alloy er:yag-ceramics RU2697561C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018128749A RU2697561C1 (en) 2018-08-07 2018-08-07 Method of producing transparent high-alloy er:yag-ceramics

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018128749A RU2697561C1 (en) 2018-08-07 2018-08-07 Method of producing transparent high-alloy er:yag-ceramics

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2697561C1 true RU2697561C1 (en) 2019-08-15

Family

ID=67640543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018128749A RU2697561C1 (en) 2018-08-07 2018-08-07 Method of producing transparent high-alloy er:yag-ceramics

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2697561C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110511027A (en) * 2019-08-30 2019-11-29 宁波大学 A kind of preparation method of the thulium oxide crystalline ceramics of high optical quality
CN112851331A (en) * 2021-02-08 2021-05-28 新沂市锡沂高新材料产业技术研究院有限公司 Industrial production method of YAG-based transparent ceramic
RU2829698C1 (en) * 2024-05-20 2024-11-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук COMPLEX SODIUM AND LANTHANUM GERMANATE OF COMPOSITION NaLa9(GeO4)6O2 AS MIXTURE FOR PRODUCING OPTICALLY TRANSPARENT CERAMICS AND METHOD FOR PRODUCING OPTICALLY TRANSPARENT CERAMICS

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU564290A1 (en) * 1975-12-29 1977-07-05 Предприятие П/Я В-8584 Vacuum-dense transparent ceramics
CN102211942A (en) * 2010-04-09 2011-10-12 中国科学院上海硅酸盐研究所 Preparation method of Er: YAG polycrystal transparent ceramic material

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU564290A1 (en) * 1975-12-29 1977-07-05 Предприятие П/Я В-8584 Vacuum-dense transparent ceramics
CN102211942A (en) * 2010-04-09 2011-10-12 中国科学院上海硅酸盐研究所 Preparation method of Er: YAG polycrystal transparent ceramic material

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIANG LI et al., Solid-State Reactive Sintering and Optical Characteristics of Transparent Er:YAG Laser Ceramics, "J. Am. Ceram. Soc.", 2012, 95 [3], 1029-1032. *
MOREIRA L. et al., Er:YAG polycrystalline ceramics:The effects of the particle size distribution on the structural and optical properties, "Ceramics International", 2015, Vol,41, No. 9, Part B, 11786-11792. *
MOREIRA L. et al., Er:YAG polycrystalline ceramics:The effects of the particle size distribution on the structural and optical properties, "Ceramics International", 2015, Vol,41, No. 9, Part B, 11786-11792. JIANG LI et al., Solid-State Reactive Sintering and Optical Characteristics of Transparent Er:YAG Laser Ceramics, "J. Am. Ceram. Soc.", 2012, 95 [3], 1029-1032. XINGTAO CHEN et al, Fabrication and spectroscopic properties of Yb/Er:YAG and Yb, Er:YAG transparent ceramics by co-precipitation synthesis route, "Journal of Luminescence", 2017, Vol. 188, pp 533-540. XIANPENG QIN et al., Fabrication and properties of highly transparent Er:YAG ceramics, "Optical Materials", 2012, Vol. 34, No. 6, pp 973-976. VIDELA F.A. et al., Quantitative description of yttrium aluminate ceramic composition by means of Er+3 microluminescence spectrum, "Optical Materials", May 2018, Vol. 79, pp 78-83. *
VIDELA F.A. et al., Quantitative description of yttrium aluminate ceramic composition by means of Er+3 microluminescence spectrum, "Optical Materials", May 2018, Vol. 79, pp 78-83 *
XIANPENG QIN et al., Fabrication and properties of highly transparent Er:YAG ceramics, "Optical Materials", 2012, Vol. 34, No. 6, pp 973-976. . *
XINGTAO CHEN et al, Fabrication and spectroscopic properties of Yb/Er:YAG and Yb, Er:YAG transparent ceramics by co-precipitation synthesis route, "Journal of Luminescence", 2017, Vol. 188, pp 533-540. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110511027A (en) * 2019-08-30 2019-11-29 宁波大学 A kind of preparation method of the thulium oxide crystalline ceramics of high optical quality
CN110511027B (en) * 2019-08-30 2021-09-14 宁波大学 Preparation method of thulium oxide transparent ceramic with high optical quality
CN112851331A (en) * 2021-02-08 2021-05-28 新沂市锡沂高新材料产业技术研究院有限公司 Industrial production method of YAG-based transparent ceramic
RU2829698C1 (en) * 2024-05-20 2024-11-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук COMPLEX SODIUM AND LANTHANUM GERMANATE OF COMPOSITION NaLa9(GeO4)6O2 AS MIXTURE FOR PRODUCING OPTICALLY TRANSPARENT CERAMICS AND METHOD FOR PRODUCING OPTICALLY TRANSPARENT CERAMICS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yu et al. Fabrication of Nd: YAG transparent ceramics using powders synthesized by citrate sol-gel method
Liu et al. Solid-state reactive sintering of Nd: YAG transparent ceramics: the effect of Y2O3 powders pretreatment
CN101851096A (en) Highly doped Yb, Er: YAG transparent ceramic and manufacturing method thereof
Liu et al. Influence of doping concentration on microstructure evolution and sintering kinetics of Er: YAG transparent ceramics
RU2697561C1 (en) Method of producing transparent high-alloy er:yag-ceramics
Yang et al. Novel transparent ceramics for solid-state lasers
Jiang et al. Effect of air annealing on the optical properties and laser performance of Yb: YAG transparent ceramics
CN110468452B (en) Intermediate infrared thulium-holmium co-doped sesquioxide laser single crystal fiber and preparation method and application thereof
CN113773081A (en) Transparent ceramic and preparation method thereof
Gao et al. Effect of Yb3+ concentration on microstructure and optical properties of Yb: SrF2 transparent ceramics
Zheng et al. Fabrication and spectral properties of Dy: SrF2 transparent ceramics
CN107324805A (en) A kind of multicomponent garnet-base laser transparent ceramic material and preparation method thereof
CN114108072B (en) Rare earth ion doped GdScO3Laser crystal preparation and application thereof
Guo et al. Fabrication of sub-micrometer sized Er: CaF2 transparent ceramics for eye-safe lasers
Liu et al. Influence of annealing on microstructures and properties of Yb: Lu2O3 transparent ceramics
Furuse et al. Strontium fluorapatite (S-FAP) nano-grained laser ceramics
Yang Enhancement of near-infrared emissions of Nd3+: Al2O3 IR transparent ceramics co-doped with Zn2+
Zhang et al. Fabrication, spectral and laser performance of 5 at.% Yb3+ doped (La0. 10Y0. 90) 2O3 transparent ceramic
Stanciu et al. Enhancement of the laser emission efficiency of Yb: Y2O3 ceramics via multi-step sintering method fabrication
Pan et al. Fabrication and spectral properties of Yb, Ho: Y2O3 transparent ceramics
Jiang et al. Synthesis and properties of Yb: Sc2O3 transparent ceramics
CN115353389A (en) Ho ion doped sesquioxide transparent ceramic and preparation method thereof
Lu et al. Fabrication and luminescence properties of Er3+ doped yttrium lanthanum oxide transparent ceramics
CN110760930B (en) Alkaline earth metal fluoride laser crystal doped with multiple trivalent modulator ions and preparation method thereof
CN107722981B (en) Erbium-ytterbium double-doped lanthanum-lutetium oxide laser material and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210728

Effective date: 20210728