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YAG单晶和陶瓷的制备与激光损伤形貌特征及其机理研究

作　者: 李长青
导　师: 韩杰才
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: YAG单晶透明陶瓷损伤形貌烧蚀阈值发射光谱
分类号: TQ174.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文采用传统的提拉法制备了YAG晶体以及采用固相反应法制备了YAG透明陶瓷,并对YAG晶体和陶瓷的性能进行了表征,为了研究YAG晶体材料的激光损伤性能,采用毫秒、纳秒、飞秒三种特征脉宽的激光对YAG材料进行损伤试验,分析了三种情况的激光损伤YAG材料的形貌及其损伤机理。在YAG单晶制备方面,研究结果表明:采用传统晶体生长的方法-提拉法制备了YAG晶体,能够保证晶体的质量,经加工制备的YAG单晶试样,在空气和真空热处理条件下进行性能对比,采用XPS、透过率、XRD半峰高宽表征手段进行表征,确定影响YAG单晶试样光学质量的影响因素。在YAG透明陶瓷制备方面,研究结果表明:采用高纯的Y₂O₃、Al₂O₃粉或Y₂O₃粉、Al粉固相反应两种途径制备了YAG粉体,研究表明采用Y₂O₃粉、Al粉在固相反应制备出YAG粉体比Y₂O₃、Al₂O₃粉制备生成温度低,能够在1200℃煅烧制备出YAG粉体,而高纯Y₂O₃、Al₂O₃粉体能够烧结合成YAG透明陶瓷,Y₂O₃粉体、Al粉体烧结的YAG陶瓷性能不理想。本文采用毫秒激光损伤YAG单晶,详细研究了毫秒级脉宽单脉冲激光损伤过程及其机理。研究结果表明:YAG晶体或透明陶瓷在毫秒激光损伤条件下是以熔融为主的破坏机理,表面形成锥形熔坑,其深度与激光能量的线性度较好。以激光对YAG单晶的热传导、熔融、汽化、电离四个过程为基础建立数学模型模拟激光损伤,并与实验值对比,具有较好的吻合度。同时还分析了毫秒激光切割YAG晶体的断口形貌,并从理论上加以解释。通过使用纳秒激光对YAG单晶和透明陶瓷损伤形貌及机理进行了详细的研究。研究表明:纳秒激光对YAG产生面损伤时,是以表面蒸发和体蒸发为主要损伤机理;纳秒激光对YAG产生体损伤时,是以热爆炸为主要损伤机理,晶体内部被激光融化,产生膨胀,表面产生了隆起,当激光脉冲能量足够大时,晶体开裂;YAG陶瓷损伤与YAG单晶损伤机理基本相似。本文还研究了飞秒级超短脉宽激光损伤形貌及其机理。研究表明:YAG晶体的飞秒激光面损伤是强电场剥离表面原子机理损伤为主,实验采用的极大值法确定的不同热处理后的YAG烧蚀阈值,采用Robert Eason的介电材料烧蚀阈值计算法计算YAG晶体的烧蚀阈值,两者较接近。采用Betis的电场临界阈值计算法和Bulgakova的库仑爆炸理论的计算法对YAG材料的临界电场进行分析比较,计算结果相近,从机理上解释了表面强电场剥离表面原子。基于飞秒激光对YAG单晶和透明陶瓷产生的原子发射光谱进行了对比,分析出飞秒激光损伤YAG材料产生了Y、Al、Y离子、Al离子、YO分子、AlO分子的发射谱线。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-33
  1.1 课题背景  13-14
  1.2 YAG 材料的研究现状  14-25
    1.2.1 YAG 材料的性质  14-17
    1.2.2 YAG 晶体和透明陶瓷的制备方法  17-25
  1.3 单晶及陶瓷激光损伤的研究及进展  25-31
    1.3.1 连续激光对晶体和陶瓷的损伤研究  28-29
    1.3.2 长脉冲激光对晶体和陶瓷的损伤研究  29
    1.3.3 短脉冲激光对晶体和陶瓷的损伤研究  29-30
    1.3.4 超短脉冲激光对晶体和陶瓷的损伤研究  30-31
  1.4 本论文的主要研究内容  31-33
第2章试验材料和研究方法  33-44
  2.1 YAG 单晶制备的工艺流程  33-35
    2.1.1 YAG 单晶原料  33
    2.1.2 晶体生长试验装置  33-34
    2.1.3 YAG 单晶制备工艺流程  34-35
  2.2 YAG 陶瓷制备的工艺流程  35-36
    2.2.1 实验材料  35
    2.2.2 实验相关设备  35
    2.2.3 实验工艺流程  35-36
  2.3 激光损伤烧蚀设备装置  36-40
    2.3.1 YAG 试验样品制备  36
    2.3.2 激光损伤试验台设备  36-40
    2.3.3 激光损伤试验操作过程  40
  2.4 结构组织表征方法  40-44
    2.4.1 粉体物性分析  40-41
    2.4.2 X 射线分析  41-42
    2.4.3 微观形貌分析  42
    2.4.4 光谱分析  42-44
第3章 YAG 单晶和透明陶瓷的制备及表征  44-69
  3.1 引言  44
  3.2 YAG 单晶制备及表征  44-57
    3.2.1 YAG 单晶制备  44-48
    3.2.2 YAG 单晶表征  48-57
  3.3 YAG 透明陶瓷的制备和表征  57-68
    3.3.1 YAG 粉体的制备  57-62
    3.3.2 YAG 陶瓷的制备  62-63
    3.3.3 YAG 陶瓷表征  63-68
  3.4 本章小结  68-69
第4章 YAG 单晶和透明陶瓷的激光损伤形貌特征  69-98
  4.1 引言  69
  4.2 YAG 单晶和和透明陶瓷的表面热扩散分析  69-71
  4.3 YAG 单晶和透明陶瓷的毫秒脉冲激光损伤形貌特征  71-78
    4.3.1 YAG 单晶和透明陶瓷在毫秒脉冲激光产生的温度效应  71-74
    4.3.2 YAG 单晶的毫秒单脉冲激光损伤的形貌特征  74-76
    4.3.3 YAG 单晶的毫秒脉冲激光切割的形貌特征  76-77
    4.3.4 YAG 透明陶瓷的毫秒单脉冲激光损伤的形貌特征  77-78
  4.4 YAG 单晶和透明陶瓷的纳秒脉冲激光损伤形貌特征  78-87
    4.4.1 YAG 单晶和透明陶瓷在纳秒脉冲激光产生的温度效应  78-80
    4.4.2 YAG 单晶的纳秒单脉冲激光损伤的形貌特征  80-86
    4.4.3 YAG 透明陶瓷的纳秒单脉冲激光损伤的形貌特征  86-87
  4.5 YAG 单晶和透明陶瓷的飞秒脉冲激光损伤形貌特征  87-97
    4.5.1 YAG 单晶和透明陶瓷在飞秒脉冲激光产生的温度效应  87-89
    4.5.2 YAG 单晶的飞秒单脉冲激光损伤的形貌特征  89-93
    4.5.3 YAG 透明陶瓷的飞秒单脉冲激光损伤的形貌特征  93-94
    4.5.4 YAG 单晶和透明陶瓷的飞秒脉冲激光损伤原子发射光谱(AES)的特征  94-97
  4.6 本章小结  97-98
第5章 YAG 单晶及透明陶瓷的激光损伤机理研究  98-122
  5.1 引言  98
  5.2 YAG 单晶及透明陶瓷的毫秒激光损伤机理的研究  98-108
    5.2.1 YAG 单晶及透明陶瓷的毫秒单脉冲激光损伤机理的研究  98-105
    5.2.2 YAG 单晶的毫秒单脉冲激光切割机理分析  105-108
  5.3 YAG 单晶及透明陶瓷的纳秒激光损伤机理的研究  108-114
    5.3.1 YAG 单晶及透明陶瓷的纳秒激光表面损伤机理的研究  108-110
    5.3.2 YAG 单晶及透明陶瓷的纳秒激光体损伤机理的研究  110-114
  5.4 YAG 单晶及透明陶瓷的飞秒激光损伤机理的研究  114-120
    5.4.1 YAG 单晶及透明陶瓷飞秒激光机理的研究和烧蚀阈值计算  114-116
    5.4.2 YAG 单晶及透明陶瓷飞秒激光的原子发射光谱(AES)的研究  116-120
  5.5 本章小结  120-122
结论  122-124
参考文献  124-140
攻读学位期间发表的学术论文  140-142
致谢  142-143
个人简历  143

YAG单晶和陶瓷的制备与激光损伤形貌特征及其机理研究

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