RU2697561C1 - Способ получения прозрачной высоколегированной Er:ИАГ - керамики - Google Patents
Способ получения прозрачной высоколегированной Er:ИАГ - керамики Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 40
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 27
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 22
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 22
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- -1 erbium ions Chemical class 0.000 claims abstract description 17
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000000975 co-precipitation Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005469 granulation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000003179 granulation Effects 0.000 claims abstract description 8
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 3
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 claims abstract 4
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 abstract 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 abstract 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 238000003826 uniaxial pressing Methods 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001429 cobalt ion Inorganic materials 0.000 description 1
- XLJKHNWPARRRJB-UHFFFAOYSA-N cobalt(2+) Chemical compound [Co+2] XLJKHNWPARRRJB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005090 crystal field Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical group [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/44—Shaped 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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/6261—Milling
- C04B35/62615—High energy or reactive ball milling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
- C04B35/62655—Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
- C04B35/62675—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering characterised by the treatment temperature
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62695—Granulation or pelletising
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/63—Preparing 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
- C04B35/632—Organic additives
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
- C04B35/645—Pressure sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-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
- C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-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
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
- C30B29/22—Complex oxides
- C30B29/28—Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, 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
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
- H01S3/1608—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth erbium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, 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
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
- H01S3/164—Solid materials characterised by a crystal matrix garnet
- H01S3/1643—YAG
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, 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
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1685—Ceramics
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, 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
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1691—Solid materials characterised by additives / sensitisers / promoters as further dopants
- H01S3/1698—Solid 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
Изобретение относится к области получения высоколегированного ионами эрбия прозрачного керамического материала со структурой иттрий-алюминиевого граната (Еr:ИАГ) для использования в качестве лазерного материала в медицине и оптической связи. Способ включает измельчение полученного методом обратного гетерофазного соосаждения керамического порошка вместе со спекающей добавкой, с последующей сушкой, грануляцией, формованием, вакуумным спеканием, отжигом, шлифовкой и полировкой, при этом в качестве исходных компонентов используют порошки оксидов заданного состава ErYAlO, где n - количество легирующего иона и n=0,3-1,8, получаемые методом обратного гетерофазного соосаждения через распыление; 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; деионизированную воду удаляют путем сушки суспензии с получением гранул-порошка на распылительной сушилке при температуре 100-120°С; 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; после изостатического прессования проводят вакуумное спекание при 1750-1800°С, время выдержки составляет 5-30 часов, степень вакуума 10-10Па, или до стадии вакуумного спекания прессованные образцы термообрабатывают при температуре 600-800°С, время выдержки 4-8 часов; образцы Er:ИАГ-керамики после вакуумного спекания отжигают при температуре 1300-1500°С, время выдержки 5 часов. Изобретение использует простую технологию, которая практически осуществима не только для ионов Еr, но и для активации различными редкоземельными ионами - Yb, Но, Dy, Eu, Tm.Полученный керамический материал Еr:ИАГ обладает высоким коэффициентом светопропускания более 86%, высокими термомеханическими свойствами и сильной интенсивностью полосы флуоресценции при 1,5 мкм. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
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.
Уровень техники
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+.
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.
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).
Недостатком данного кристалла является большая величина интенсивности насыщения поглощения. Кроме того, производство монокристаллов иттрий-алюминиевого граната Co:Y3Al5O12 является дорогостоящим.
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).
Однако способы получения известных материалов являются достаточно сложными.
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).
Раскрытие изобретения
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.
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.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что стадии получения по настоящему изобретению включают в себя:
(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.
(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.
(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.
(4) Суспензию после смешивания сушат на распылительной сушилке при 100-120°С, с последующей грануляцией.
(5) После сушки порошок формуют методом одноосного полусухого прессования; давление прессования 50-100 МПа, выдержка 0-5 минут.
(6) Холодное изостатическое прессование проводят при давлении 150-300 МПа, время выдержки 1-10 мин, относительная плотность прессованных образцов 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;
(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+ (4I13/2 → 4I15/2).
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.
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.
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.
Осуществление изобретения
В соответствии с настоящим изобретением, технология изготовления высоколегированной Еr:ИАГ - прозрачной керамики позволяет точно контролировать концентрацию ионов заместителей, и позволяет сформировать произвольные формы образцов.
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.
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.
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.
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.
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.
Конкретные примеры иллюстрируют настоящее изобретение, но не ограничиваются вариантами осуществления.
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 4I13/2→4I15/2, что является необходимым условием для потенциального применения в качестве лазерного материала.
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.
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.
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.
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 4I13/2→4I15/2, что является необходимым условием для потенциального применения в качестве лазерного материала.
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».
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».
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».
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) 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;
(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;
(3) деионизированную воду удаляют путем сушки суспензии с получением гранул-порошка на распылительной сушилке при температуре 100-120°С;
(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;
(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;
(6) образцы Er:ИАГ-керамики после вакуумного спекания отжигают при температуре 1300-1500°С, время выдержки 5 часов.
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018128749A RU2697561C1 (ru) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | Способ получения прозрачной высоколегированной Er:ИАГ - керамики |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018128749A RU2697561C1 (ru) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | Способ получения прозрачной высоколегированной Er:ИАГ - керамики |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2697561C1 true RU2697561C1 (ru) | 2019-08-15 |
Family
ID=67640543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018128749A RU2697561C1 (ru) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | Способ получения прозрачной высоколегированной Er:ИАГ - керамики |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2697561C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110511027A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-11-29 | 宁波大学 | 一种高光学质量的氧化铥透明陶瓷的制备方法 |
| CN112851331A (zh) * | 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 | 一种yag基透明陶瓷的工业化生产方法 |
| RU2829698C1 (ru) * | 2024-05-20 | 2024-11-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук | Сложный германат натрия и лантана состава NaLa9(GeO4)6O2 в качестве шихты для получения оптически прозрачной керамики и способ получения оптически прозрачной керамики |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU564290A1 (ru) * | 1975-12-29 | 1977-07-05 | Предприятие П/Я В-8584 | Вакуумноплотна прозрачна керамика |
| CN102211942A (zh) * | 2010-04-09 | 2011-10-12 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Er:YAG多晶透明陶瓷材料制备方法 |
-
2018
- 2018-08-07 RU RU2018128749A patent/RU2697561C1/ru active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU564290A1 (ru) * | 1975-12-29 | 1977-07-05 | Предприятие П/Я В-8584 | Вакуумноплотна прозрачна керамика |
| CN102211942A (zh) * | 2010-04-09 | 2011-10-12 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Er:YAG多晶透明陶瓷材料制备方法 |
Non-Patent Citations (6)
| 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)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110511027A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-11-29 | 宁波大学 | 一种高光学质量的氧化铥透明陶瓷的制备方法 |
| CN110511027B (zh) * | 2019-08-30 | 2021-09-14 | 宁波大学 | 一种高光学质量的氧化铥透明陶瓷的制备方法 |
| CN112851331A (zh) * | 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 | 一种yag基透明陶瓷的工业化生产方法 |
| RU2829698C1 (ru) * | 2024-05-20 | 2024-11-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук | Сложный германат натрия и лантана состава NaLa9(GeO4)6O2 в качестве шихты для получения оптически прозрачной керамики и способ получения оптически прозрачной керамики |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yu et al. | Fabrication of Nd: YAG transparent ceramics using powders synthesized by citrate sol-gel method | |
| Tang et al. | Fabrication and laser behavior of the Yb: YAG ceramic microchips | |
| CN101531459B (zh) | 一种稀土铥掺杂的铝酸盐发光玻璃及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Fabrication, properties and laser performance of Ho: YAG transparent ceramic | |
| Jiang et al. | Effect of air annealing on the optical properties and laser performance of Yb: YAG transparent ceramics | |
| CN101851096A (zh) | 高掺杂Yb,Er:YAG透明陶瓷及其制备方法 | |
| Kosyanov et al. | Effect of Nd3+ ions on phase transformations and microstructure of 0–4 at.% Nd3+: Y3Al5O12 transparent ceramics | |
| CN114108072B (zh) | 稀土离子掺杂的GdScO3激光晶体制备及其应用 | |
| RU2697561C1 (ru) | Способ получения прозрачной высоколегированной Er:ИАГ - керамики | |
| CN113773081A (zh) | 一种透明陶瓷及其制备方法 | |
| Zheng et al. | Fabrication and spectral properties of Dy: SrF2 transparent ceramics | |
| CN110468452B (zh) | 一种中红外铥钬共掺倍半氧化物激光单晶光纤及其制备方法和应用 | |
| Liu et al. | Influence of annealing on microstructures and properties of Yb: Lu2O3 transparent ceramics | |
| Stanciu et al. | Enhancement of the laser emission efficiency of Yb: Y2O3 ceramics via multi-step sintering method fabrication | |
| Furuse et al. | Strontium fluorapatite (S-FAP) nano-grained laser ceramics | |
| Zhang et al. | Fabrication, spectral and laser performance of 5 at.% Yb3+ doped (La0. 10Y0. 90) 2O3 transparent ceramic | |
| Yang | Enhancement of near-infrared emissions of Nd3+: Al2O3 IR transparent ceramics co-doped with Zn2+ | |
| CN107324805A (zh) | 一种多组分石榴石基激光透明陶瓷材料及其制备方法 | |
| Pan et al. | Fabrication and spectral properties of Yb, Ho: Y2O3 transparent ceramics | |
| CN102211941A (zh) | Er,Yb双掺杂YAG多晶透明陶瓷材料制备方法 | |
| Jiang et al. | Synthesis and properties of Yb: Sc2O3 transparent ceramics | |
| Li et al. | Fluoride transparent ceramics for solid-state lasers: A review | |
| Wang et al. | Distinguishing the effects of lattice Gd3+ and segregated Gd3+ on optical properties of Yb: GdYAG transparent ceramics | |
| CN107722981B (zh) | 铒镱双掺氧化镧镥激光材料及其制备方法 | |
| CN101717998A (zh) | 掺钕的硅酸钇镥激光晶体及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210728 Effective date: 20210728 |