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《哈尔滨工业大学》 2008年
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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

李长青  
【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Y_2O_3、Al_2O_3粉或Y_2O_3粉、Al粉固相反应两种途径制备了YAG粉体,研究表明采用Y_2O_3粉、Al粉在固相反应制备出YAG粉体比Y_2O_3、Al_2O_3粉制备生成温度低,能够在1200℃煅烧制备出YAG粉体,而高纯Y_2O_3、Al_2O_3粉体能够烧结合成YAG透明陶瓷,Y_2O_3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。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TQ174.1

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【参考文献】
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