激光材料(定稿1)

1、 激光材料（激光材料（laser material） 是激活離子和基質(zhì)材料的總稱。是激活離子和基質(zhì)材料的總稱。激活離子激活離子在受到在受到外界能量激發(fā)后，離子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，外界能量激發(fā)后，離子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，又稱激發(fā)態(tài)能級(jí)。當(dāng)從激發(fā)態(tài)能級(jí)返回低能級(jí)時(shí)又稱激發(fā)態(tài)能級(jí)。當(dāng)從激發(fā)態(tài)能級(jí)返回低能級(jí)時(shí)釋放能量，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。外界能量可以是光，釋放能量，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。外界能量可以是光，電，熱或高能輻射。電，熱或高能輻射。基質(zhì)材料基質(zhì)材料就是為激活離子提就是為激活離子提供一個(gè)適宜的晶體場(chǎng)。激活離子的光譜特征反應(yīng)供一個(gè)適宜的晶體場(chǎng)。激活離子的光譜特征反應(yīng)了激活離子在不同能級(jí)間躍遷的狀態(tài)。了激活離

2、子在不同能級(jí)間躍遷的狀態(tài)。 激光材料是伴隨激光技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。激光材料的出現(xiàn)為若干有色金屬特別是稀有金屬的應(yīng)用開辟了嶄新的途徑。 激光材料作為激光技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)，對(duì)激光技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用。1960年問世的第一臺(tái)激光器采用晶體材料Cr:Al2O3；20世紀(jì)70年代摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）晶體誕生，固體激光開始大力發(fā)展；20世紀(jì)80年代摻鈦藍(lán)寶石(Ti:Al2O3)晶體的出現(xiàn)使超短、超快和超強(qiáng)激光成為可能，飛秒激光科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展并滲透到各基礎(chǔ)和應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域；20世紀(jì)90年代研制的摻釹礬酸釔(Nd:YVO4)晶體，使固體激光器的發(fā)展進(jìn)入新時(shí)期全固態(tài)激光科學(xué)技術(shù)。（一）固

3、體激光工作物質(zhì)（一）固體激光工作物質(zhì) 在激光材料中以固體激光材料最引人注目。 固體激光工作物質(zhì)由激活離子和基質(zhì)兩部分構(gòu)成。激活離子主要有過渡金屬離子(Cu2+)、三價(jià)稀土離子(Sm3+)、二價(jià)稀土離子和錒系離子(U3+)等四類?；|(zhì)包括晶體和非晶體基質(zhì)兩大類。晶體基質(zhì)又分為摻雜型、自激活型和色心型摻雜型、自激活型和色心型三種。摻雜型晶體基質(zhì)是把激活離子摻雜到此基質(zhì)中；自激活型是把激活離子成為晶體基質(zhì)的一部分；色心晶體是由束縛在基質(zhì)格點(diǎn)缺位周圍的電子或其他離子與晶格相互作用形成發(fā)光中心。非晶體基質(zhì)主要是玻璃，如摻釹激光基質(zhì)玻璃等。（二）氣體激光工作物質(zhì)（二）氣體激光工作物質(zhì) 分為原子、離子和分子

4、氣體三大類，品種很多。 以氣體為工作物質(zhì)的激光器稱為氣體激光器。（三）液體激光工作物質(zhì)（三）液體激光工作物質(zhì) 含有稀土元素的二元酮有機(jī)溶液、有機(jī)燃料溶液、稀土元素的無機(jī)化合物溶液等三類。（四）半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)（四）半導(dǎo)體激光工作物質(zhì) 半導(dǎo)體激光器的作用原理乃是基于電子和空穴的輻射復(fù)合現(xiàn)象。半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種。激光工作物質(zhì)材料的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：（1）發(fā)展高功率大尺寸激光工質(zhì)材料；（2）提高摻雜濃度和激光功率；（3）開拓新波段的固體激光材料；（4）拓寬新的固體可調(diào)諧激光材料；（5）采用敏化技術(shù)。1以透明陶瓷為代表的新型激光材料以透明陶瓷為代表的新型激光材料在固體激光技術(shù)及其相

5、關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展中，固體激光工作物質(zhì)的開發(fā)是研究基礎(chǔ)和先導(dǎo)，對(duì)于產(chǎn)生高性能的激光振蕩具有決定性的意義。探索優(yōu)秀的激光材料并應(yīng)用于研發(fā)新型激光器件始終是激光研究的發(fā)展方向。近年來迅速發(fā)展的新型陶瓷是繼單晶、玻璃之后又一值得矚目的激光材料。激光陶瓷的迅猛發(fā)展極大地推動(dòng)了陶瓷激光器的研制發(fā)展。相繼出現(xiàn)了高效率陶瓷激光器、高功率陶瓷激光器、超短脈沖陶瓷激光器、全陶瓷自調(diào)Q脈沖激光器、陶瓷光纖激光器等。 從激光陶瓷的制備來看，目前商業(yè)化激光陶瓷已經(jīng)出現(xiàn)，而且其氣孔率密度、均勻性和內(nèi)部散射損耗等性能已經(jīng)趕上或者優(yōu)于同種化學(xué)組分的單晶商品。不僅如此，陶瓷材料的摻雜種類(多種激活離子和基質(zhì))及摻雜形態(tài)也大大豐富，

6、復(fù)合結(jié)構(gòu)和多功能材料層出不窮。這些優(yōu)點(diǎn)給予了高性能固體激光器前所未有的高性價(jià)比和能夠滿足各種應(yīng)用要求的靈活設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，使得長期以來光學(xué)工程師希望按照特定激光性能要求來進(jìn)行材料分子設(shè)計(jì)以獲取合適激光材料的夢(mèng)想即將成為現(xiàn)實(shí)。2以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)對(duì)于高功率固體激光器而言，如何有效地對(duì)激光介質(zhì)散熱處理，是獲得高光束質(zhì)量、高功率輸出的關(guān)鍵。將塊狀激光介質(zhì)做成薄片或拉成細(xì)長光纖形狀，將會(huì)有效增大散熱表面積，有利于固體激光器散熱問題的解決，這就是目前高功率固體激光器發(fā)展的兩個(gè)重要方向：薄片激光器和光纖激光器。激光陶瓷粉體的制備方法 陶瓷工藝的一個(gè)基本特點(diǎn)就是以粉體作為

7、原料經(jīng)成型和燒結(jié)，形成多晶燒結(jié)體。作為起始原料的陶瓷粉體質(zhì)量的好壞直接影響最終成品的質(zhì)量。 目前制備YAG粉體的方法：固相法、液相法、溶膠凝膠法、溶劑（水）熱法、共沉淀法、均相沉淀法、微波輻照法。固相反應(yīng)法 方法：普遍采用混合均勻的Y2O3與Al2O3原料粉末直接按比例3:5在高溫下煅燒，通過Y2O3與Al2O3之間的固相反應(yīng)依次形成Y4Al2O9(YAM)和YAlO3(YAP)這兩種中間相，最終形成YAG結(jié)構(gòu)。 固相反應(yīng)法是這種方法工藝簡單、成本低、效率高而適合大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。 合成釔鋁石榴石粉體的傳統(tǒng)方法，雖然需要的燒結(jié)溫度高，粉體合成過程需經(jīng)過多次球磨，燒結(jié)時(shí)間相對(duì)較長共沉淀法方法：

8、在一定溫度下，將沉淀劑加入到包含一種或多種離子的可溶性的鹽溶液中，不溶性的水合氧化物、氫氧化物或鹽類從溶液中析出，將溶液和溶劑中原有的陰離子洗去，經(jīng)過脫水或熱分解即可得到所需的氧化物粉體。共沉淀法是現(xiàn)階段在YAG的合成中應(yīng)用較多的一種合成方法。優(yōu)點(diǎn)：沉淀體可以通過水洗和醇洗去除多余的雜質(zhì)離子，避免團(tuán)聚，并且易于干燥，縮短了前驅(qū)體的制備時(shí)間。成本低廉，并能夠保持溶液中的離子化學(xué)均勻性缺點(diǎn)：1、合成粉體仍然存在少量的硬團(tuán)聚，粉體顆粒的分布范較寬。2、因?yàn)椴煌x子對(duì)pH值敏感程度不同，因此當(dāng)合成多組分粉料時(shí)成分分布不均勻。采用逐點(diǎn)逐層熔化沉積的方式成形當(dāng)激光光源移動(dòng)到某采用逐點(diǎn)逐層熔化沉積的方式成形

9、當(dāng)激光光源移動(dòng)到某一沉積層內(nèi)某一點(diǎn)時(shí)，同軸輸送的金屬粉末熔化，在該點(diǎn)一沉積層內(nèi)某一點(diǎn)時(shí)，同軸輸送的金屬粉末熔化，在該點(diǎn)處形成熔池，同時(shí)熔池下方的已沉積成形層被加熱升溫，處形成熔池，同時(shí)熔池下方的已沉積成形層被加熱升溫，并在光源移走后迅速降溫冷卻沉積每增高一層，對(duì)已沉并在光源移走后迅速降溫冷卻沉積每增高一層，對(duì)已沉積材料都進(jìn)行了一次快速非穩(wěn)態(tài)升溫與冷卻的過程對(duì)于積材料都進(jìn)行了一次快速非穩(wěn)態(tài)升溫與冷卻的過程對(duì)于存在固態(tài)相變行為的材料來說，這種快速非穩(wěn)態(tài)循環(huán)升溫存在固態(tài)相變行為的材料來說，這種快速非穩(wěn)態(tài)循環(huán)升溫冷卻過程，相當(dāng)于對(duì)材料進(jìn)行快速非穩(wěn)態(tài)循環(huán)熱處理，不冷卻過程，相當(dāng)于對(duì)材料進(jìn)行快速非穩(wěn)態(tài)循環(huán)

10、熱處理，不同沉積高度處的材料由于經(jīng)歷的熱循環(huán)歷史不同則發(fā)生的同沉積高度處的材料由于經(jīng)歷的熱循環(huán)歷史不同則發(fā)生的固態(tài)相變過程也不同，從而導(dǎo)致沿沉積高度方向顯微組織固態(tài)相變過程也不同，從而導(dǎo)致沿沉積高度方向顯微組織及硬度變化及硬度變化激光熔化沉積法：激光熔化沉積法：激光熔化沉積法：激光熔化沉積法：舉例：舉例： 沉積沉積300M超高強(qiáng)度鋼的顯微組織超高強(qiáng)度鋼的顯微組織北京航空航天大學(xué)激光材料制備與成形實(shí)驗(yàn)室選用真空熔煉氬氣霧化選用真空熔煉氬氣霧化300M鋼粉末為原料，選用鋼粉末為原料，選用45鋼鋼(長長100 mm寬寬15 mm高高95 mm)作為激光熔化沉積的基作為激光熔化沉積的基材利用本實(shí)驗(yàn)室研

11、制的動(dòng)態(tài)密封惰性氣氛保護(hù)材利用本實(shí)驗(yàn)室研制的動(dòng)態(tài)密封惰性氣氛保護(hù)8 kW橫橫流連續(xù)流連續(xù)CO2激光材料快速成形成套系統(tǒng)進(jìn)行激光材料快速成形成套系統(tǒng)進(jìn)行300M超高強(qiáng)度超高強(qiáng)度鋼薄板試樣的逐層熔化沉積快速成形激光熔化沉積主要鋼薄板試樣的逐層熔化沉積快速成形激光熔化沉積主要工藝參數(shù)如下：激光功率為工藝參數(shù)如下：激光功率為3000 W，光斑直徑為，光斑直徑為5 mm，光束掃描速率為光束掃描速率為6 mms，單層沉積厚度約為，單層沉積厚度約為05 mm延伸：激光增材制造技術(shù)延伸：激光增材制造技術(shù) 做飛機(jī)使用加法做飛機(jī)使用加法激光熔化沉積激光熔化沉積300M超高強(qiáng)度鋼薄板試樣表面光潔，無氧化及開裂等缺超

12、高強(qiáng)度鋼薄板試樣表面光潔，無氧化及開裂等缺陷縱向和橫向截面顯微組織的陷縱向和橫向截面顯微組織的OM照片從圖可見，由于凝固過程中照片從圖可見，由于凝固過程中冷卻速率快、溫度梯度高，激光熔化沉積成形冷卻速率快、溫度梯度高，激光熔化沉積成形300M鋼試樣具有很細(xì)小、鋼試樣具有很細(xì)小、均勻的快速凝固胞狀樹枝晶組織因沉積成形時(shí)采用往復(fù)掃描方式，均勻的快速凝固胞狀樹枝晶組織因沉積成形時(shí)采用往復(fù)掃描方式，其中上圖名縱向截面胞狀樹枝晶組織呈其中上圖名縱向截面胞狀樹枝晶組織呈“之之”字形外延生長特征，而字形外延生長特征，而下圖橫向截面凝固組織則呈典型的下圖橫向截面凝固組織則呈典型的“十十”字形貌字形貌激光熔覆技

13、術(shù)激光熔覆技術(shù)激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式在被涂覆基激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、 抗氧化及電器特性等的材料表面改性的工藝方法?？寡趸半娖魈匦缘鹊牟牧媳砻娓男缘墓に嚪椒?。對(duì)對(duì)60#鋼進(jìn)行碳鎢激光熔覆后，硬度最高達(dá)鋼進(jìn)行碳鎢激光熔覆后，硬度

14、最高達(dá)2200HV以上，耐磨損性能為基體以上，耐磨損性能為基體60#鋼的鋼的20倍倍左右左右激光熔覆特點(diǎn)：激光熔覆特點(diǎn)：（1）冷卻速度快（高達(dá)106K/s），屬于快速凝固過程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控；（3）熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí)，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。（4）粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金；（5）熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.22.0

15、mm，（6）能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價(jià)格（7）光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷；（8）工藝過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。制備工藝制備工藝 球磨混合反應(yīng)物：按反應(yīng)物：按 1.0at%Nd:YAG的化學(xué)劑量比稱的的化學(xué)劑量比稱的-Al 2O3（穩(wěn)定相）、穩(wěn)定相）、 Y2O3和和 Nd 2O3。 助燒劑：適量的助燒劑：適量的SiO2和和MgO 介質(zhì)：無水乙醇介質(zhì)：無水乙醇 行星球磨機(jī)中球磨行星球磨機(jī)中球磨12-24h，干燥備用，干燥備用 造粒本實(shí)驗(yàn)中采用的造粒方法如下：向混合粉體中加入一定本實(shí)驗(yàn)中采用的造粒方法如下：向混合粉體中加入一定濃度的聚乙烯醇（濃度的聚乙烯醇（PVA）溶液作為成型粘結(jié)

16、劑，）溶液作為成型粘結(jié)劑，PVA溶液溶液的添加量占粉體總質(zhì)的的添加量占粉體總質(zhì)的15% ，置于研缽中磨搓動(dòng)使，置于研缽中磨搓動(dòng)使PVA與粉體混合均勻，然后過與粉體混合均勻，然后過與粉體混合均勻，然后過與粉體混合均勻，然后過 60 -100 目篩網(wǎng)，得到粒度適中的團(tuán)粒。目篩網(wǎng)，得到粒度適中的團(tuán)粒。 成型分成干壓和等靜壓成型這兩種成型方法。分成干壓和等靜壓成型這兩種成型方法。 等靜壓成型：將烘干研磨好的粉體過等靜壓成型：將烘干研磨好的粉體過100目篩網(wǎng)后置于不目篩網(wǎng)后置于不銹鋼模具中先預(yù)壓成型，采用的壓力為銹鋼模具中先預(yù)壓成型，采用的壓力為20MPa，保壓時(shí)間，保壓時(shí)間為為1min，然后將片子裝在

17、一個(gè)橡膠套中，抽真空后放在，然后將片子裝在一個(gè)橡膠套中，抽真空后放在等靜壓機(jī)中最終成型，成型壓力為等靜壓機(jī)中最終成型，成型壓力為300MPa，保壓時(shí)間為，保壓時(shí)間為1min，制得尺寸約為，制得尺寸約為9mm2.5mm的生片。的生片。 排膠我們將生片放入馬弗爐中進(jìn)行我們將生片放入馬弗爐中進(jìn)行600保溫保溫4h的預(yù)燒排膠處的預(yù)燒排膠處理，使生坯中的理，使生坯中的PVA充分分解排出充分分解排出 燒結(jié) 真空燒結(jié)技術(shù)真空燒結(jié)技術(shù):將素坯放入將素坯放入ZT-50-22Y型高溫真空熱壓石型高溫真空熱壓石墨電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)，在不同的燒結(jié)溫度下保溫，保溫時(shí)墨電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)，在不同的燒結(jié)溫度下保溫，保溫時(shí)間在間

18、在6-30h。 退火處理 由于真空燒結(jié)使用石墨電阻爐，不可避免地會(huì)存在碳污染由于真空燒結(jié)使用石墨電阻爐，不可避免地會(huì)存在碳污染，因此，采用在有氧環(huán)境，因此，采用在有氧環(huán)境1450下保溫下保溫20h來對(duì)樣品進(jìn)行來對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，以消除碳污染以及氧空位的影響。退火處理，以消除碳污染以及氧空位的影響。 后續(xù)處理當(dāng)煅燒溫度為當(dāng)煅燒溫度為11001100時(shí)，時(shí)，Y2O3Y2O3和和Al2O3Al2O3未充分反應(yīng)，但未充分反應(yīng)，但YAMYAM相相也已經(jīng)生成。升溫至也已經(jīng)生成。升溫至12001200時(shí)，時(shí)，主晶相已經(jīng)變成主晶相已經(jīng)變成YAMYAM相，但還存相，但還存在在Y2O3Y2O3和和Al2O3Al2O3相。溫度到