CC BY
16
УДК 666.3:535.345
Козлова СМ., Файков П.П., Копылов ЮЛ. ТВЕРДОФАЗОВЫЙ СИНТЕЗ Yb:LuYAG
Файков Павел Петрович к.т.н., доцент кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Козлова Светлана Михайловна студентка кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Копылов Юрий Леонидович канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, г. Фрязино Московской обл.
* e-mail: [email protected]
Актуальность работы заключается в том, что прозрачная керамика на основе комбинированной матрицы является одной из перспективных для создания активных лазерных элементов. Она обладает лучшей теплопроводностью в сравнении с иттрий-алюминиевым гранатом, что позволяет её использовать в лазерах высокой мощности, а так же её производство требует меньшего количества оксида лютеция, что делает её производство менее затратным, чем производство керамики на основе лютеций-алюминиевого граната. Были получены спектры люминесценции, спектры пропускания и РФА.
Ключевые слова: прозрачная керамика, лазерная керамика, LuYAG, лютеций- иттрий-алюминиевый гранат.
SOLID - PHASE SYNTHESIS Yb:LuYAG
Faykov Pavel Petrovich Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemistry and Technology of Crystals of the MUCTR D.I. Mendeleev, Moscow, Russia
Kozlova Svetlana Mikhailovna student of the Department of Chemistry and Technology of Crystals of the MUCTR D.I. Mendeleev, Moscow, Russia
Kopylov Yuriy Leonidovich candidate of physical and mathematical Sciences, senior researcher, head of the laboratory FIRE. V. A. Kotelnikov of RAS, Fryazino Moscow reg.
The relevance of the work lies in the fact that transparent ceramics based on a combined matrix is one of the most promising for the creation of active laser elements. It has better thermal conductivity in comparison with yttrium-aluminum garnet, which allows its use in high-power lasers, as well as its production requires less lutetium oxide, which makes its production less expensive than the production of ceramics based on lutetium-aluminum garnet. Luminescence spectra, transmission spectra and x-ray phase analysis a were obtained.
Keywords: transparent ceramics, laser ceramics, LuYAG, lutetium-yttrium-aluminum garnet.
В настоящее время одним из самых перспективных материалов для твердотельных лазеров является прозрачная керамика с комбинированной матрицей лютеций - иттрий алюминиевого граната LuYAG, легированной ионами лантаноидов. Такие лазеры способны работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Прозрачная керамика (ПК) с такой матрицей обладает лучшей теплопроводностью в сравнении с YAG (иттрий - алюминиевыым гранатом) [1 - 3]. С другой стороны, производство LuAG (лютеций - алюминиевого граната) имеет несколько существенных недостатков: высокая стоимость порошка оксида лютеция LU2O3 категории ОСЧ и высокая температура плавления, подразумевающая использование специального оборудования. LuYAG обладает хорошими термомеханическими свойствами, подобными LuAG или Lu2O3, но его изготовление дешевле поскольку
требуется меньшее количество Lu2Oз, а также не требует сложного оборудования ввиду более низкой температуры плавления. На данный момент разработано получение ПК с LuYAG - матрицей, которая пригодна для изготовления активных элементов для твердотельных лазеров нового поколения высокой мощности. Стандартная схема получения ПК включает несколько последовательных технологических этапов: синтез порошкообразного материала, компактироание, спекание, отжиг, шлифовка. Важным этапом в процессе изготовления ПК является получение порошков с заданными характеристиками (сферическая форма частиц, монодисперсность, отсутствие прочных агломератов, однородность химического состава, размер частиц до нескольких сотен нм), высокая чистота по лимитирующим примесям [4].
Для приготовления шихты в качестве исходных оксидов были взяты оксиды лютеция Ьи203, иттрия У203, алюминия А1203 и иттербия УЬ203. Мольная доля УЬ203 составила 5%, соотношение Ьи:У = 1:1. В качестве спекающих добавок вводились тетраэтоксисилан ТЕ0Б (1,35% мол.), борная кислота Н3ВО3 (1% мол,), оксид магния М§0 (0,04% мол.). Дисперсная среда - изопропиловый спирт. Навески оксидов в дальнейшем были помещены в контейнеры из капролона, к ним были добавлены спекающие добавки, дисперсная среда и шары для помола из высокочистого оксида алюминия диаметром 5 мм. Далее приготовленная суспензия подвергалась помолу в планетарной мельнице в течение 17 часов. После помола контейнер с суспензией помещался в сушильный шкаф. Сушка происходила при температуре 60°С в течение суток. Следующий этап - измельчение шихты с использованием протирочных сит в два этапа: 1) измельчение порошка с целью деагломерации частиц и отделения порошка от шаров через сито с крупным размером ячейки (более 200 меш - 76 мкм); 2) измельчение через сито с размером ячейки 200 меш (76 мкм) с целью грануляции. После грануляции шихта отжигается в течение 6 часов при температуре 800-1000°С для удаления органических примесей, попавших в неё в процессе измельчения.
На данном этапе использовались две цилиндрические пресс-формы 010 мм и 027 мм для придания порошку формы шайбы и пресс испытательный гидравлический МС-2000. Для того, чтобы избежать неравномерного прессования образцов, прессование проводилось в два этапа: сначала одноосное прессование при давлении 125 МПа, а затем в камере изостатического прессования при комнатной температуре при давлении 200-250 МПа. После прессования проводили выжигание технологической связки в муфельной печи БК0Ь 7,2/1300 в воздушной среде при температуре 800— 1000 °С в течение 6 часов.
Полученные компакты спекали в вакуумной установке СШВЭ - 1.2,5/25И2 при остаточном вакууме 6*10° Па в течение 5-20 часов при температуре 1750 - 1880 °С . После спекания образцы подвергались осветлительному обжигу в воздушной среде в муфельной печи 5ЫОЬ 7,2/1300 при температуре 1000-1300 °С в течение 30 часов. Далее спеченные и отожженные образцы были отшлифованы и отполированы с помощью различных абразивов для придания окончательной формы и желаемой чистоты поверхности.
На рисунке 1 представлены керамические образцы, содержащие 5 ат.% УЬ, до окислительного отжига (слева) и после отжига (справа). Даже через образец, не подвергнутый отжигу, можно увидеть линии на бумажной подложке.
Рис. 1. Фотография прозрачных керамических образцов ¥Ъ:Ьи¥АС до (слева) и после (справа) окислительного отжига.
Данные РФА показали, что в результате спекания порошка получился УЬ:ЬиУАО. Полученная дифрактограмма сравнивалась с дифрактограммой из статьи [5]
УЬ:1иУАС
II 1111 IIII II III II
III II II III II II II
41м»'
13СЮ С^КЧ [1.МСЗДА;
Рис.2. Дифрактограмма ¥Ъ:Ьи¥АС
Рисунок 3 и рисунок 4 - спектры оптического пропускания для одного и того же образца до (рисунок 3) и после (рисунок 4) окислительного отжига. Образец, не подвергнутый окислительному отжигу, в видимой области длин волн имеет полосы поглощения, вероятно связанные с наличием в образце УЬ2+. Образец, подвергнутый отжигу, полос поглощения в видимой области спектра не имеет и имеет лучшие показатели по пропусканию.
60
^п
- а 40
и
Й в 30
-
- в 20
в.
С 10
0
200 400 600 800
Длина волны, нм
1000
Рис. 3. Спектр оптического пропускания ¥Ъ:Ьи¥АС, не подвергнутого окислительному отжигу.
90
80 ч WH У
70 a1- J' 60 | 50 &40
о 30
B 20
10
0
200 400 600 800 1000
Длина волны, нм
Рис. 4. Спектр оптического пропускания УЪ:ЬиУАС,
подвергнутого окислительному отжигу при температуре 1300°С в течение 30 часов.
70000
ь 60000
о А к 50000 40000
8 30000 - 785nm
Б Е S 20000 973 nm
10000
J 1. )\
0
850 1050 1250 1450 165и
Длина волны, нм
Рис. 5. Спектры люминесценции при различной длине волны возбуждающего света для образца УЪ:ЬиУАС, не подвергнутого окислительному отжигу.
Из спектров люминесценции для образца УЬ:ЬиУЛО (рисунок 5) видно, что при различной длине волны возбуждающего света спектры не идентичны. При возбуждающей длине волны 785 нм наблюдается один излучательный переход на длине волны 1572 нм. При длине волны возбуждения 973 нам наблюдается два излучательных перехода с меньшей интенсивностью и при меньших длинах волн излучения: 972 нм и 1029,5 нм. Это может быть связано с различным механизмом перехода
легирующей примеси из возбужденного состояния в основное.
Таким образом, в ходе работы были получены и исследованы образцы прозрачной керамики на основе лютеций-иттрий-алюминиевого граната, легированного иттербием. Из спектров оптического пропускания можно сделать вывод о том, что образец, подвергнутый окислительному отжигу, имеет хорошее пропускание в видимой области света, что является одной основных характеристик прозрачных керамических материалов.
Авторы выражают благодарность за помощь в синтезе полученных образцов сотрудников 21 отдела ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Лопухина Кирилла Валерьевича и Балашова Владимира Владимировича.
Список литературы
1. High efficiency laser action in mildly doped Yb:LuYAG ceramics/ Tengfei Xie, Vladimir Babin, Angela Pirri, Guido Toci, Jiang Li, Yubai Pan, Alena Beitlerova, Martin Nikl, Matteo Vannini, Optical Materials , Volume 73, pp 312-318
2. Spectroscopic and laser characterization of Ybo i5:(LuxYi-x)3AlsOi2 ceramics with different Lu/Y balance/ Angela Pirri, Guido Toci, Jiang Li, Tengfei Xie, Yubai Pan, Vladimir Babin, Alena Beitlerova, Martin Nikl, and Matteo Vannini, Vol. 24, Issue 16 pp. 17832-17842 (2016)
3. Efficient Er:LuYAG laser operating at 1648 and 1620 nm/ X.F. Yang, Y. Wang, D.Y. Shen, T. Zhao, X.D. Xu, D.H. Zhou and J. Xu, Laser Physics Letters, vol: 9, num: 2, 131-134, published: 16 February 2011
4. Получение нанопорошка иттрий-алюминиевого граната как основы прозрачной керамики для лазерной техники/ Д.И. Аксенов, Е.В. Жариков, П.П. Файков, Успехи в химии и химической технологии, Том 29, 2015, №7, стр. 7-9
5. CW and tunable performances of Yb3+:LuAG transparent ceramics with different doping concentrations/ Chaoyang Ma, Jiangfeng Zhu, Kai Liu, Zicheng Wen, Ran Ma, Jiaqi Long, Xuanyi Yuan, Yongge Cao/ Optical Materials 69 (2017), р. 190-195
