激光材料 (定稿1)

1、 激光材料（激光材料（laser material） 是激活离子和基质材料的总称。是激活离子和基质材料的总称。激活离子激活离子在受到在受到外界能量激发后，离子由低能级跃迁到高能级，外界能量激发后，离子由低能级跃迁到高能级，又称激发态能级。当从激发态能级返回低能级时又称激发态能级。当从激发态能级返回低能级时释放能量，产生发光现象。外界能量可以是光，释放能量，产生发光现象。外界能量可以是光，电，热或高能辐射。电，热或高能辐射。基质材料基质材料就是为激活离子提就是为激活离子提供一个适宜的晶体场。激活离子的光谱特征反应供一个适宜的晶体场。激活离子的光谱特征反应了激活离子在不同能级间跃迁的状态。了激活离

2、子在不同能级间跃迁的状态。 激光材料是伴随激光技术的发展而发展起来的。激光材料的出现为若干有色金属特别是稀有金属的应用开辟了崭新的途径。 激光材料作为激光技术发展的核心和基础，对激光技术的发展起着决定性的作用。1960年问世的第一台激光器采用晶体材料Cr:Al2O3；20世纪70年代掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体诞生，固体激光开始大力发展；20世纪80年代掺钛蓝宝石(Ti:Al2O3)晶体的出现使超短、超快和超强激光成为可能，飞秒激光科学技术蓬勃发展并渗透到各基础和应用学科领域；20世纪90年代研制的掺钕矾酸钇(Nd:YVO4)晶体，使固体激光器的发展进入新时期全固态激光科学技术。（一）固

3、体激光工作物质（一）固体激光工作物质 在激光材料中以固体激光材料最引人注目。 固体激光工作物质由激活离子和基质两部分构成。激活离子主要有过渡金属离子(Cu2+)、三价稀土离子(Sm3+)、二价稀土离子和锕系离子(U3+)等四类。基质包括晶体和非晶体基质两大类。晶体基质又分为掺杂型、自激活型和色心型掺杂型、自激活型和色心型三种。掺杂型晶体基质是把激活离子掺杂到此基质中；自激活型是把激活离子成为晶体基质的一部分；色心晶体是由束缚在基质格点缺位周围的电子或其他离子与晶格相互作用形成发光中心。非晶体基质主要是玻璃，如掺钕激光基质玻璃等。（二）气体激光工作物质（二）气体激光工作物质 分为原子、离子和分子

4、气体三大类，品种很多。 以气体为工作物质的激光器称为气体激光器。（三）液体激光工作物质（三）液体激光工作物质 含有稀土元素的二元酮有机溶液、有机燃料溶液、稀土元素的无机化合物溶液等三类。（四）半导体激光工作物质（四）半导体激光工作物质 半导体激光器的作用原理乃是基于电子和空穴的辐射复合现象。半导体激光工作物质有几十种。激光工作物质材料的发展方向主要有以下几个方面：（1）发展高功率大尺寸激光工质材料；（2）提高掺杂浓度和激光功率；（3）开拓新波段的固体激光材料；（4）拓宽新的固体可调谐激光材料；（5）采用敏化技术。1以透明陶瓷为代表的新型激光材料以透明陶瓷为代表的新型激光材料在固体激光技术及其相

5、关领域的发展中，固体激光工作物质的开发是研究基础和先导，对于产生高性能的激光振荡具有决定性的意义。探索优秀的激光材料并应用于研发新型激光器件始终是激光研究的发展方向。近年来迅速发展的新型陶瓷是继单晶、玻璃之后又一值得瞩目的激光材料。激光陶瓷的迅猛发展极大地推动了陶瓷激光器的研制发展。相继出现了高效率陶瓷激光器、高功率陶瓷激光器、超短脉冲陶瓷激光器、全陶瓷自调Q脉冲激光器、陶瓷光纤激光器等。 从激光陶瓷的制备来看，目前商业化激光陶瓷已经出现，而且其气孔率密度、均匀性和内部散射损耗等性能已经赶上或者优于同种化学组分的单晶商品。不仅如此，陶瓷材料的掺杂种类(多种激活离子和基质)及掺杂形态也大大丰富，

6、复合结构和多功能材料层出不穷。这些优点给予了高性能固体激光器前所未有的高性价比和能够满足各种应用要求的灵活设计优势，使得长期以来光学工程师希望按照特定激光性能要求来进行材料分子设计以获取合适激光材料的梦想即将成为现实。2以光纤激光为代表的新型激光结构以光纤激光为代表的新型激光结构对于高功率固体激光器而言，如何有效地对激光介质散热处理，是获得高光束质量、高功率输出的关键。将块状激光介质做成薄片或拉成细长光纤形状，将会有效增大散热表面积，有利于固体激光器散热问题的解决，这就是目前高功率固体激光器发展的两个重要方向：薄片激光器和光纤激光器。激光陶瓷粉体的制备方法 陶瓷工艺的一个基本特点就是以粉体作为

7、原料经成型和烧结，形成多晶烧结体。作为起始原料的陶瓷粉体质量的好坏直接影响最终成品的质量。 目前制备YAG粉体的方法：固相法、液相法、溶胶凝胶法、溶剂（水）热法、共沉淀法、均相沉淀法、微波辐照法。固相反应法 方法：普遍采用混合均匀的Y2O3与Al2O3原料粉末直接按比例3:5在高温下煅烧，通过Y2O3与Al2O3之间的固相反应依次形成Y4Al2O9(YAM)和YAlO3(YAP)这两种中间相，最终形成YAG结构。 固相反应法是这种方法工艺简单、成本低、效率高而适合大规模的工业化生产。 合成钇铝石榴石粉体的传统方法，虽然需要的烧结温度高，粉体合成过程需经过多次球磨，烧结时间相对较长共沉淀法方法：

8、在一定温度下，将沉淀剂加入到包含一种或多种离子的可溶性的盐溶液中，不溶性的水合氧化物、氢氧化物或盐类从溶液中析出，将溶液和溶剂中原有的阴离子洗去，经过脱水或热分解即可得到所需的氧化物粉体。共沉淀法是现阶段在YAG的合成中应用较多的一种合成方法。优点：沉淀体可以通过水洗和醇洗去除多余的杂质离子，避免团聚，并且易于干燥，缩短了前驱体的制备时间。成本低廉，并能够保持溶液中的离子化学均匀性缺点：1、合成粉体仍然存在少量的硬团聚，粉体颗粒的分布范较宽。2、因为不同离子对pH值敏感程度不同，因此当合成多组分粉料时成分分布不均匀。采用逐点逐层熔化沉积的方式成形当激光光源移动到某采用逐点逐层熔化沉积的方式成形

9、当激光光源移动到某一沉积层内某一点时，同轴输送的金属粉末熔化，在该点一沉积层内某一点时，同轴输送的金属粉末熔化，在该点处形成熔池，同时熔池下方的已沉积成形层被加热升温，处形成熔池，同时熔池下方的已沉积成形层被加热升温，并在光源移走后迅速降温冷却沉积每增高一层，对已沉并在光源移走后迅速降温冷却沉积每增高一层，对已沉积材料都进行了一次快速非稳态升温与冷却的过程对于积材料都进行了一次快速非稳态升温与冷却的过程对于存在固态相变行为的材料来说，这种快速非稳态循环升温存在固态相变行为的材料来说，这种快速非稳态循环升温冷却过程，相当于对材料进行快速非稳态循环热处理，不冷却过程，相当于对材料进行快速非稳态循环

10、热处理，不同沉积高度处的材料由于经历的热循环历史不同则发生的同沉积高度处的材料由于经历的热循环历史不同则发生的固态相变过程也不同，从而导致沿沉积高度方向显微组织固态相变过程也不同，从而导致沿沉积高度方向显微组织及硬度变化及硬度变化激光熔化沉积法：激光熔化沉积法：激光熔化沉积法：激光熔化沉积法：举例：举例： 沉积沉积300M超高强度钢的显微组织超高强度钢的显微组织北京航空航天大学激光材料制备与成形实验室选用真空熔炼氩气雾化选用真空熔炼氩气雾化300M钢粉末为原料，选用钢粉末为原料，选用45钢钢(长长100 mm宽宽15 mm高高95 mm)作为激光熔化沉积的基作为激光熔化沉积的基材利用本实验室研

11、制的动态密封惰性气氛保护材利用本实验室研制的动态密封惰性气氛保护8 kW横横流连续流连续CO2激光材料快速成形成套系统进行激光材料快速成形成套系统进行300M超高强度超高强度钢薄板试样的逐层熔化沉积快速成形激光熔化沉积主要钢薄板试样的逐层熔化沉积快速成形激光熔化沉积主要工艺参数如下：激光功率为工艺参数如下：激光功率为3000 W，光斑直径为，光斑直径为5 mm，光束扫描速率为光束扫描速率为6 mms，单层沉积厚度约为，单层沉积厚度约为05 mm延伸：激光增材制造技术延伸：激光增材制造技术 做飞机使用加法做飞机使用加法激光熔化沉积激光熔化沉积300M超高强度钢薄板试样表面光洁，无氧化及开裂等缺超

12、高强度钢薄板试样表面光洁，无氧化及开裂等缺陷纵向和横向截面显微组织的陷纵向和横向截面显微组织的OM照片从图可见，由于凝固过程中照片从图可见，由于凝固过程中冷却速率快、温度梯度高，激光熔化沉积成形冷却速率快、温度梯度高，激光熔化沉积成形300M钢试样具有很细小、钢试样具有很细小、均匀的快速凝固胞状树枝晶组织因沉积成形时采用往复扫描方式，均匀的快速凝固胞状树枝晶组织因沉积成形时采用往复扫描方式，其中上图名纵向截面胞状树枝晶组织呈其中上图名纵向截面胞状树枝晶组织呈“之之”字形外延生长特征，而字形外延生长特征，而下图横向截面凝固组织则呈典型的下图横向截面凝固组织则呈典型的“十十”字形貌字形貌激光熔覆技

13、术激光熔覆技术激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的材料表面改性的工艺方法。抗氧化及电器特性等的材料表面改性的工艺方法。对对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达钢进行碳钨激光熔覆后，硬度

14、最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体以上，耐磨损性能为基体60#钢的钢的20倍倍左右左右激光熔覆特点：激光熔覆特点：（1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相（2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；（3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内。（4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金；（5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.22.0

15、mm，（6）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格（7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷；（8）工艺过程易于实现自动化。制备工艺制备工艺 球磨混合反应物：按反应物：按 1.0at%Nd:YAG的化学剂量比称的的化学剂量比称的-Al 2O3（稳定相）、稳定相）、 Y2O3和和 Nd 2O3。 助烧剂：适量的助烧剂：适量的SiO2和和MgO 介质：无水乙醇介质：无水乙醇 行星球磨机中球磨行星球磨机中球磨12-24h，干燥备用，干燥备用 造粒本实验中采用的造粒方法如下：向混合粉体中加入一定本实验中采用的造粒方法如下：向混合粉体中加入一定浓度的聚乙烯醇（浓度的聚乙烯醇（PVA）溶液作为成型粘结

16、剂，）溶液作为成型粘结剂，PVA溶液溶液的添加量占粉体总质的的添加量占粉体总质的15% ，置于研钵中磨搓动使，置于研钵中磨搓动使PVA与粉体混合均匀，然后过与粉体混合均匀，然后过与粉体混合均匀，然后过与粉体混合均匀，然后过 60 -100 目筛网，得到粒度适中的团粒。目筛网，得到粒度适中的团粒。 成型分成干压和等静压成型这两种成型方法。分成干压和等静压成型这两种成型方法。 等静压成型：将烘干研磨好的粉体过等静压成型：将烘干研磨好的粉体过100目筛网后置于不目筛网后置于不锈钢模具中先预压成型，采用的压力为锈钢模具中先预压成型，采用的压力为20MPa，保压时间，保压时间为为1min，然后将片子装在

17、一个橡胶套中，抽真空后放在，然后将片子装在一个橡胶套中，抽真空后放在等静压机中最终成型，成型压力为等静压机中最终成型，成型压力为300MPa，保压时间为，保压时间为1min，制得尺寸约为，制得尺寸约为9mm2.5mm的生片。的生片。 排胶我们将生片放入马弗炉中进行我们将生片放入马弗炉中进行600保温保温4h的预烧排胶处的预烧排胶处理，使生坯中的理，使生坯中的PVA充分分解排出充分分解排出 烧结 真空烧结技术真空烧结技术:将素坯放入将素坯放入ZT-50-22Y型高温真空热压石型高温真空热压石墨电阻炉中进行烧结，在不同的烧结温度下保温，保温时墨电阻炉中进行烧结，在不同的烧结温度下保温，保温时间在间

18、在6-30h。 退火处理 由于真空烧结使用石墨电阻炉，不可避免地会存在碳污染由于真空烧结使用石墨电阻炉，不可避免地会存在碳污染，因此，采用在有氧环境，因此，采用在有氧环境1450下保温下保温20h来对样品进行来对样品进行退火处理，以消除碳污染以及氧空位的影响。退火处理，以消除碳污染以及氧空位的影响。 后续处理当煅烧温度为当煅烧温度为11001100时，时，Y2O3Y2O3和和Al2O3Al2O3未充分反应，但未充分反应，但YAMYAM相相也已经生成。升温至也已经生成。升温至12001200时，时，主晶相已经变成主晶相已经变成YAMYAM相，但还存相，但还存在在Y2O3Y2O3和和Al2O3Al2O3相。温度到