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Er3+离子激光主要有两个不同波段的波长:1.5-1.7μm和2.94μm。1.5-1.7μm激光对人眼没有伤害,且对大气层的透过率较高,可应用于通讯和长距离测距等领域;2.94μm激光对应水的最强吸收峰,因此广泛应用于外科和牙科等医学领域。传统的Er3+离子激光基质材料为玻璃和单晶,两者都有一定的局限性,不能完全满足高功率和多功能化固体激光器的发展需要。近年来,YAG激光透明陶瓷以其在制备技术、材料综合性能和复合功能化等方面的显著优势得到人们的关注,并迅速发展,国内也已成功实现Nd:YAG透明陶瓷的大功率连续激光输出。因此,制备Er:YAG透明陶瓷作为Er3+离子激光的工作物质并对其显微结构、光学性能和应用潜力进行研究是很有必要的。
本文使用商业粉体为原料,采用固相反应和真空烧结技术制备Er:YAG和Er,Yb:YAG透明陶瓷。制备出的透明陶瓷中残余气孔很少,没有成分偏析或第二相的存在。晶粒发育良好,平均晶粒尺寸均为数十微米,各元素分布均匀,不存在明显的偏析。材料晶界处非常干净,没有杂质或第二相存在。2mm厚双面抛光的1at.％、30at.%、50at.%、70at.%和90at.%Er:YAG透明陶瓷在可见光波段的直线透过率均大于82%。Er3+离子浓度超过5at.%时.,4I13/2能级至4I15/2能级跃迁放射出的荧光开始出现浓度猝灭现象。从荧光转化效率来看,5at.%Er是进行1.6μm波段激光实验的最佳掺杂浓度。2mm厚双面抛光的掺杂浓度分别为1%Er-5%Yb、1%Er-10%Yb、1%Er-15%Yb、1%Er-20%Yb和1%Er-25%Yb的Er,Yb:YAG透明陶瓷在可见光和近红外波段的直线透过率均超过80%,此五组Er,Yb:YAG透明陶瓷Yb3+离子中2F5/2能级的1030nm荧光寿命分别为0.49、0.56、0.65、0.69和0.72ms,Er3+离子中4I13/2能级的1531nm荧光寿命分别为14.61,7.36,7.28,7.28,7.27和7.17ms。Yb3+离子会限制Er3+离子中4I11/2能级上电子的最大布居数,对于1%Er:YAG透明陶瓷,Yb3+离子的最佳掺杂浓度为15at.%。