Development of transparent fluoride ceramics that realizes short pulse lasers in the blue-green, green, orange, and red regions

开发出可实现蓝绿、绿、橙、红区域短脉冲激光的透明氟化物陶瓷

• 批准号: 21K04926
• 负责人: 藤岡 加奈
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04926/
• 关键词: 透明セラミックス; 可視域レーザー材料; プラセオジム; アルカリ土類金属フッ化物; イオン拡散; フッ素欠陥; クラスター抑制; 濃度消光; 短パルスレーザー

青色半導体レーザー励起の可視域レーザー材料として有望なPr３価イオン（Pr3+）添加アルカリ土類金属フッ化物（Pr:CaF2およびPr:SrF2）のセラミックス化を目指して、2022年度は以下の研究を行った。１）Pr,LaCaF2およびPr,La:SrF2原料粉体を液相で一括合成する場合、PrおよびLaの濃度が設計値の半分程度に減少する。一方、３種混合粉体（CaF3-PrF3-LaF3、およびSrF2-PrF3-LaF3）に市販のフッ化物を用いた場合、粉体の結晶性が高くかつ粒子径が大きいため、焼結時の粒界反応が低下してイオン拡散が不十分となり、光散乱の原因となる組成（屈折率）の不均一が生じる。そこで、反応性を高くするために結晶性が低く粒子径の小さいCaF3、SrF2、PrF3、LaF3を個別に合成し、セラミックスを製作した。その結果、散乱が少なく透明性のあるものが得られたが、若干黒色に着色した。反応性に富む粉体は不安定でもあるため、セラミックス製作の過程でフッ素欠陥が発生したと考えられる。２）フッ素欠陥を抑制するために合成時に過剰のフッ化カリウムを用いること、焼結時に真空度を上げすぎないことが有効である可能性を突きとめた。３）セラミックスの吸収スペクトルおよび蛍光スペクトルをJudd-Ofelt理論に基づいて解析を試みた。解析精度を高めるには、PrおよびLaの濃度が既知で、散乱や着色のないセラミックスを用い、解析には中赤外域での吸収遷移も含めることが望ましいことが分かった。

2022年，我们进行了以下研究，目标是用镨三价离子（Pr3+）掺杂的碱土金属氟化物（Pr:CaF2和Pr:SrF2）制造陶瓷，这些陶瓷有望作为蓝色半导体激光器的可见光激光材料激发。 1)当Pr,LaCaF2和Pr,La:SrF2原料粉末在液相中一次性合成时，Pr和La的浓度降低至设计值的一半左右。另一方面，当三组分混合粉末(CaF3-PrF3-LaF3和SrF2-PrF3-LaF3)使用市售的氟化物时，粉末的结晶度高且粒径大，因此烧结时的粒径场反应减弱，离子扩散变得不充分，导致成分（折射率）不均匀，引起光散射。因此，为了提高反应性，我们单独合成了结晶度低、粒径小的CaF3、SrF2、PrF3和LaF3，并生产了陶瓷。结果，获得几乎没有散射的透明产物，但其稍微着色为黑色。由于高反应性粉末也不稳定，因此人们认为氟缺陷是在陶瓷制造过程中产生的。 2）为了抑制氟缺陷，我们发现在合成过程中使用过量的氟化钾并且在烧结过程中不要将真空度提高太多可能是有效的。 3)尝试基于Judd-Ofelt理论分析陶瓷的吸收光谱和荧光光谱。为了提高分析的准确性，我们发现最好使用具有已知浓度的 Pr 和 La 的陶瓷，而不发生散射或着色，并且在分析中包括中红外区域的吸收跃迁。