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1995年，日本科学家A. Ikesue采用固相反应法制备出高质量Nd:YAG透明陶瓷，研制出世界上第一台陶瓷固体激光器，并成功实现激光输出，成为透明陶瓷一个突破性发展。1999年，日本神岛化学公司以共沉淀法合成Nd:YAG粉体为原料，制备出高质量透明陶瓷，激光输出功率快速突破KW水平，将透明陶瓷的发展推向一个新的高度，透明陶瓷迅速成为国内外研究热点。2006年，美国利弗莫尔国家实验室实现Nd:YAG透明陶瓷67KW激光输出，大尺寸、高质量Nd:YAG透明陶瓷被美国军方确立为高功率激光武器用激光材料，自此，日美等国就有关透明陶瓷制备技术及相关陶瓷产品对外禁运。我国虽在2006年成功实现Nd:YAG透明陶瓷波长为1064nm，功率为1W连续激光输出，然而在随后几年，稀土离子掺杂YAG透明陶瓷研究一直处于瓶颈之中，在陶瓷尺寸、激光性能（输出功率和光转换效率）及多层结构等方面与国外先进水平存在非常大的差距。本论文针对国产Nd:YAG透明陶瓷存在的不足，系统研究对材料显微结构演化和光学质量产生影响的因素，优化制备技术，解决国产透明陶瓷在制备和性能中的瓶颈问题，以期制备出具有自主知识产权的大尺寸、高质量透明陶瓷，推动我国在高功率固体激光器领域的发展。借鉴国际上较为成熟的两种制备工艺：（1）固相反应法制备Nd:YAG透明陶瓷（技术拥有者：日本World. Lab公司）；（2）共沉淀法合成Nd:YAG粉体及透明陶瓷制备（技术拥有者：日本神岛化学公司）。本论文主要开展以下几个方面工作：1)商业氧化物粉体原料球磨过程，添加CATB为表面活性剂（最佳添加量为0.8wt.%），改善浆料的流动性，提高成份混和均匀性及细化粉体粒径，确保球磨粉体具有高的烧结活性；添加La2O3为烧结助剂（最佳添加量为0.8wt.%），降低烧结温度，细化晶粒尺寸，晶界数量增多，为气孔排除提供更多通道；升温速率设为1℃/min，陶瓷致密化过程缓慢，为气孔排除提供充裕的时间。优化固相反应工艺最大程度减少和消除影响陶瓷材料光学质量的散射中心（如，气孔、杂质及非主晶相），获得高质量Nd:YAG透明陶瓷，波长为400nm和1064nm，光学透过率分别为82.5%和84.4%，与晶体理论透过率基本一致，陶瓷显微结构致密，热腐蚀表面无明显气孔和杂质存在，晶界干净，为后续大尺寸透明陶瓷的制备提供技术上的保证。2)大尺寸素坯成型过程，为避免引入新的杂质，不使用任何粘结剂以提高素坯强度，仅通过控制干压成型压力和素坯厚度来保证素坯完整性，干压压力控制在80MPa～120MPa之间，素坯厚度>7mm，长度为200mm的板条和直径为200mm的圆片素坯具有良好的完整性，无边角脱落和开裂现象出现。素坯1750℃真空烧结50h，所得陶瓷块体空气中1450℃退火处理20h，双面抛光，即得Nd:YAG透明陶瓷圆片（133×6mm2），1064nm和400nm光学透过率分别为84.4%和82.8%，散射损耗为0.004cm-1，吸收损耗为0.001cm-1，陶瓷显微结构致密，平均晶粒尺寸约10μm，晶界宽度小于1nm，具有该结构的晶界对光传输产生的损耗可忽略不计。微调单一结构Nd:YAG透明陶瓷制备技术，改变烧结助剂（TEOS和La2O3）的添加量以调控纯YAG和Nd:YAG的烧结温度，实现两者在同一烧结制度下显微结构致密化，抑制晶粒异常生长，获得多层结构透明陶瓷板条，1064nm和400nm光学透过率分别>84.2%和>81.8%。大尺寸、高质量透明陶瓷的制备为实现高效率、高功率激光输出提供材料上的保证。3)系统研究Nd:YAG透明陶瓷激光性能，以激发波长为808nm的LD泵浦系统侧泵Nd:YAG陶瓷棒（6×100mm2），获得波长为1064nm，425W激光输出，光光转换效率为42.5%，与相同泵浦条件下，相同尺寸和掺杂浓度高质量Nd:YAG晶体棒激光性能测试结果完全一致。为从Nd:YAG激光材料中提取更多的有效能量，2010年，采用主控振荡器功率放大器（MOPA）泵浦系统同时侧泵两根Nd:YAG陶瓷棒（6×100mm2）实现波长为1064nm，1.023KW激光输出，光转换效率效率为29.7%，国产陶瓷突破KW以上激光输出。2011年，以LD面阵为泵浦源，侧泵Nd:YAG陶瓷板条（93×30×3mm3），泵浦功率为6.691KW，获得波长为1064nm，2.44KW激光输出，光光转换效率为36.5%。研究结果表明，Nd:YAG透明陶瓷具有与晶体相媲美的激光性能。对Nd:YAG透明陶瓷1.1μm附近激光性能开展研究，以激发波长为808nm的LD泵浦系统侧泵单根Nd:YAG陶瓷棒（6×100mm2），获得波长为1116nm，248W激光输出，光光转换效率为24.8%；侧泵两根Nd:YAG陶瓷棒（6×100mm2），获得波长为1123nm，509W激光输出，光光转换效率为25.8%，1116nm和1123nm波长发射截面不到1064nm的十五分之一是其激光性能差于1064nm的主因。1.1μm激光在激光显示、照明及生物医学等领域具有很大的应用价值。4)以国产硝酸盐为原料，采用共沉淀法合成Nd:YAG粉体，控制反应pH值（8.2）和反应温度（25℃），向混合硝酸盐溶液中加入Mg2＋离子，前驱体煅烧分解过程，Mg2＋离子以MgO形成在Nd:YAG晶界析出，抑制晶粒连续生长和粉体烧结现象的出现，细化粉体粒径，前驱体煅烧后所得粉体分散性好、烧结活性高。以MgO含量为0.01wt.%的Nd:YAG粉体为原料，与0.5wt.%TEOS球磨混和，球磨粉体压制素坯1750℃真空烧结20h，所得透明陶瓷显微结构致密，平均晶粒尺寸约为8μm，热腐蚀表面未发现明显气孔和杂质存在，4mm厚样品在1064nm处透过在82%以上。综上所述，本论文采用固相反应法制备大尺寸、高质量Nd:YAG透明陶瓷，为固体激光器，尤其是高功率固体激光器用激光材料提供新的选择。共沉淀合成出高性能Nd:YAG粉体，并制备出高质量透明陶瓷，有利于摆脱固相反应法制备透明陶瓷对进口原料粉体的依赖，发展具有完全自主知识产权的Nd:YAG透明陶瓷。