Laser oscillation and luminescence of Nd³⁺- and Eu³⁺-doped Lu₂O₃ transparent ceramics fabricated by spark plasma sintering

Abstract

Highly transparent Lu 2 O 3 ceramics with and without Nd 3+ and Eu 3+ dopants were fabricated by spark plasma sintering using a two-step pressure profile. A transmittance at 1080 nm for the Lu 2 O 3 ceramics sintered by as-received powders at a pressure of 100 MPa was 57%. By sintering ball-milled Lu 2 O 3 powders with 0.2 mass % LiF at a preloading pressure of 10 MPa, final pressure of 100 MPa, heating rate of 0.17 K s ¹1, and sintering temperature of 1723 K, the transmittance at 1080 nm of the Lu 2 O 3 ceramics reached 8082% after annealing in air, i.e., nearly 100% of the theoretical value for no scattering. Finally, laser oscillation was demonstrated using 1 at.% Nd 3+ :Lu 2 O 3 transparent ceramics at 1076 and 1080 nm wavelengths, e.g., laser output of 0.2 W and slope efficiency of 14% for straight-cavity configuration.

Sintering and Optical Property of Nd$lt;sup$gt;3+$lt;/sup$gt;:Lu2O3 Fabricated by Spark Plasma Sintering

“…Key words: spark plasma sintering; Nd 3+ :Lu 2 O 3 ; Nd 3+ doping concentration 高功率固体激光器广泛应用于科学研究、工业 加工、军事和医疗等领域。该类激光器的激光介质 材料一般为钇铝石榴石(Y 3 Al 5 O 12 , YAG)。已有研究 表明, 氧化镥(Lu 2 O 3 )比 YAG 具有更高的热导率和 更低的声子能量, 是一种极具潜力的高功率激光介 质材料 [1] 。但是, Lu 2 O 3 的熔点高达 2673 K, 采用传 统的晶体生长方法难以获得大尺寸高质量的透明块 体。采用先进陶瓷制备工艺, 在低于熔点的温度下 烧结制备高质量 Lu 2 O 3 透明陶瓷, 将有利于新型激 光材料的开发。 研究者们采用无压烧结 [2][3][4] 、无压/热压结合热等 静压 [5][6][7] 和放电等离子烧结 [8][9][10][11][12][13] 获得了高质量 Lu 2 O 3 透明陶瓷。 其中, 激活离子 Nd 3+ 掺杂 Lu 2 O 3 透明陶瓷, 因具有丰富的发射波段, 在遥感、光谱学、光通讯、 激光点火等方面有广泛的应用前景 [14][15] 。Lu 等 [2] 报道了采用无压烧结法制备 0.15at% Nd 3+ :Lu 2 O 3 透 明陶瓷的激光输出。An 等 [8][9] 采用放电等离子烧结 法制备 1at% Nd 3+ :Lu 2 O 3 透明陶瓷, 并获得了激光输 出 。 Toci 等 [10][11] 报 道 了 放 电 等 离 子 烧 结 法 制 备 Nd 3+ :Lu 2 O 3 透明陶瓷的光谱性能及激光性能。 Xu 等 [12] 采用放电等离子烧结法制备 Nd 3+ :Lu 2 O 3 透明陶瓷, 并获得了高效的激光输出。Shi 等 [16][17] 透明陶瓷的透过率先升高后降低。在 SPS 烧结的其 它透明陶瓷, 如氧化铝 [20] 、氧化锆 [21] 等中也有退火 前后颜色变化及透过率提高的报道, 这可能是由于 退火可以消除缺陷和微量的碳污染引起的。 Kim 等 [7] 报道了 (3.9710 -3 nm 3 )和 Lu 3+ (3.6410 -3 nm 3 )都强 [22] , 可以 推断随着 Nd 3+ 掺杂浓度的增加, Nd 3+ :Lu 2 O 3 的折射 率也增大, 从而导致透过率的下降。 图 7 为不同 Nd 3+ 掺杂浓度 Lu 2 O 3 透明陶瓷的吸 收光谱图, 在近红外波段有两个强的吸收峰, 分别 位于 806 和 822 nm, 属于 Nd 3+ 基态( 4 I 9/2 )到激发态 ( 2 H 9/2 和 4 F 5/2 )的跃迁。这与前期报道 [2,8,16] 和单晶 [23] 一致, 与文献 [10] The dot line refers to theoretical transmission of Lu 2 O 3 calculated from ref [19] 图 7 (a) [2,8,10,12,16] 和单晶 …”