一种复合结构氟化锶光学材料的制备方法
技术领域
本发明涉及光学材料制备的领域，具体为以氟化锶和稀土氟化物粉体为原料，成型具有复合结构的坯体，经真空烧结技术，制备复合结构氟化锶光学材料的方法。
背景技术
氟化锶（SrF2）材料属于立方晶系，具有宽的透光范围、低的声子能量与低的折射系数等优点，是一类性能优良的光学材料。SrF2晶格结构中含有丰富的空隙位置，允许稀土离子高浓度掺杂。稀土掺杂的SrF2晶体与陶瓷光学材料具有优良的光学性能，在全固态激光器中具有重要的应用价值。
激光材料作为全固态激光器的核心部件之一，其性能对激光器的性能具有重要影响。稀土掺杂的光学材料的热导率在稀土高浓度掺杂下会降低。在激光器工作过程中，输入的能量除转换为激光输出外，还会产生大量热量，引起一系列热透镜、热致双折射及热应力等热效应，严重影响激光器的性能。出现热效应的原因主要有两个：一是光学材料对泵浦能量的不均匀吸收，入射端面附近具有高的温度和温度梯度；另一方面，稀土高浓度掺杂的光学材料热导率降低，导致工作区域产生的热量不能够快速传导至体外，使热量积压在介质中，引起严重的温度梯度与热效应。为降低激光器出现的热效应，研究人员开发了具有复合结构的光学材料，使稀土离子在光学材料中呈梯度变化。此类结构的光学材料，不仅可以解决材料对泵浦能量的不均匀吸收，两侧复合的梯度层导热能力高，可以快速的将内部产生的热量传导出体外，起到散热的作用。应用复合结构光学材料为激光介质，能够有效抑制激光器运转中出现的热效应。
目前，对复合结构光学材料的研究主要是YAG等氧化物组分，未见复合结构氟化锶光学材料的研究成果与文献报道。此外，与氧化物光学材料相比，氟化锶光学材料在烧结制度、对氧化物添加剂的敏感性等方面有很大的不同。
因此，提供一种复合结构氟化锶光学材料的制备方法，是一个值得研究的问题。
发明内容
为了解决解决现有技术中存在的不足， 提高氟化锶光学材料的性能，本发明提供了一种复合结构氟化锶光学材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种复合结构氟化锶光学材料的制备方法，制备方法工序包括：步骤1）、粉体原料的准备工序；步骤2）、复合结构坯体的成型工序；步骤3）、光学材料的烧结工序；步骤4）、光学材料的处理工序；
步骤1）粉体原料的准备工序：以硝酸锶和氟化钾试剂为原料，在水溶液中采用化学沉淀法合成含有SrF2的悬浊液，悬浊液经离心-洗涤-烘干-研磨，得到SrF2粉体；将SrF2粉体与稀土氟化物粉体混合；
步骤2）复合结构坯体的成型工序：将步骤1）制备的混合粉体，按照设定的复合结构光学材料的结构与组分分布，称量粉体原料，在金属模具中依次经叠压初成型，然后坯体经冷等静压处理得到具有复合结构的坯体；
步骤3）光学材料的烧结工序：将步骤2）制备的复合结构坯体的放入石墨模具中，在真空烧结炉中加压烧结；
步骤4）光学材料的处理工序：步骤3）烧结结束后，将样品取出并进行抛光处理，即得到复合结构氟化锶光学材料。
所述的步骤1）氟化锶粉体原料准备中，采用化学沉淀法合成的是无掺杂的氟化锶SrF2粉体，然后再与稀土氟化物ReF3粉体在酒精溶液中混合，稀土混合浓度为0 ~ 10 wt.%；
所述的步骤2）中，复合结构氟化锶材料坯体先经叠压初成型，对各层施加的压力为5MPa ~ 20 MPa，保压时间为1 min ~ 10 min；在冷等静压处理过程中，施加的压力为100MPa ~ 250 MPa，保压时间为5 min ~ 10 min；
所述的步骤3）中，复合结构氟化锶光学材料的烧结温度在800 ℃ ~ 950 ℃；降温阶段，以1 ℃/min ~ 5 ℃/min的速率先降温到600 ℃，然后样品随炉冷却至室温；
所制备出的氟化锶光学材料具有复合结构，即稀土在氟化锶光学材料中不是均匀分布的，复合结构氟化锶光学材料中梯度层的数目为2~7层。
积极有益效果：本发明与现有包括氟化锶晶体和陶瓷在内的组分均匀分布的单结构氟化锶光学材料相比，经复合结构设计后，可提高光学材料的热导率，在激光应用中能够更快的将产生的热量传导出体外，缓解光学材料出现的热效应，使氟化锶光学材料在高功率激光技术等领域中的应用更具竞争力。
附图说明：
图 1为制备的复合结构SrF2/Nd(5wt.%):SrF2/SrF2光学材料；
图 2为制备的复合结构SrF2/Nd(5wt.%):SrF2/SrF2光学材料的断面结构图；
图 3为制备的复合结构SrF2/Nd(5wt.%):SrF2/SrF2光学材料界面处显微结构图；
图4为图 3所示的界面处显微结构图中(a)梯度层的元素分析谱；
图5为图 3所示的界面处显微结构图中(b)梯度层的元素分析谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步的说明：
实施例1
1）粉体原料的准备工序：以硝酸锶和氟化钾试剂为原料，在水溶液中采用化学沉淀法合成含有SrF2的悬浊液，悬浊液经离心-洗涤-烘干-研磨，得到SrF2粉体。然后，称量10 gSrF2粉体、0.5 g的氟化钕（NdF3）粉体，将两种粉体在酒精溶液中混合，将悬浮液置于超声波清洗器中处理30 min，再次经烘干-研磨，得到SrF2-NdF3 (5wt.%) 混合粉体。
2）复合结构坯体的成型工序：向不锈钢模具中装入1.0 g SrF2粉体，对钢模施加20 MPa的压力，保压5 min；向模具中装入1.0 g SrF2-NdF3 (5wt.%) 混合粉体，对钢模施加20 MPa的压力，保压5 min；向模具中装入1.0 g SrF2粉体，对钢模施加20 MPa的压力，保压5 min；将初成型的坯体放入冷等静压机中，经200 MPa处理5 min，得到层数为3层的具有复合结构的钕掺杂氟化锶光学材料坯体。
3）光学材料的烧结工序：将步骤2）得到的具有复合结构的钕掺杂氟化锶光学材料坯体装入石墨模具中，将模具放入真空炉中烧结。以5℃/min的速率升温至900 ℃，然后施加压力30 MPa，保温2 h。然后，以1℃/min的速率降温至600 ℃，然后样品随炉冷却至室温。
4）光学材料的处理工序：烧结结束后，将样品取出，经砂纸打磨后，在自动抛光机上用金刚石抛光液对光学样品进行双面抛光，即得到层数为3层的具有复合结构的钕掺杂的氟化锶光学材料（SrF2/Nd(5wt.%):SrF2/SrF2）。
如图1所示为制备的复合结构SrF2/Nd(5wt.%):SrF2/SrF2光学材料，透过样品可以分辨出样品下的文字。图2为制备的复合结构SrF2/ Nd(5wt.%):SrF2/SrF2光学材料的断面结构图，可以看出光学材料具有复合结构。图3为制备的复合结构SrF2/Nd(5wt.%):SrF2/SrF2光学材料界面处显微结构图，可以看出制备的氟化锶光学材料梯度层间存在明显的界面，界面两侧不同梯度层材料的晶粒尺寸不同。图4为图3所示的界面处显微结构图中(a)梯度层的元素分析谱，可以看出在复合结构氟化锶光学材料中，(a)对应的梯度层区域没有钕（Nd）元素的分布。图5为图3所示的界面处显微结构图中(b)梯度层的元素分析谱，可以看出在复合结构氟化锶光学材料中，(b)对应的梯度层区域存在Nd元素的分布。
实施例2
1）粉体原料的准备工序：以硝酸锶和氟化钾试剂为原料，在水溶液中采用化学沉淀法合成含有SrF2的悬浊液，悬浊液经离心-洗涤-烘干-研磨，得到SrF2粉体。然后，称量10 gSrF2粉体、1.0 g的氟化镱（YbF3）粉体，将两种粉体在酒精溶液中混合，将悬浮液置于超声波清洗器中处理30 min，再次经烘干-研磨，得到SrF2-YbF3 (10 wt.%) 混合粉体；采用同样的方法得到SrF2-YbF3 (5 wt.%) 混合粉体。
2）复合结构坯体的成型工序：向不锈钢模具中装入0.8 g SrF2粉体，对钢模施加10 MPa的压力，保压1 min；向模具中装入0.8 g SrF2-YbF3 (5 wt.%) 混合粉体，对钢模施加10 MPa的压力，保压1 min；向模具中装入0.8 g SrF2-YbF3 (10wt.%) 混合粉体，对钢模施加10 MPa的压力，保压1 min；向模具中装入0.8 g SrF2-YbF3 (5 wt.%) 混合粉体，对钢模施加10 MPa的压力，保压1 min；向模具中装入0.8 g SrF2粉体，对钢模施加10 MPa的压力，保压1 min；将初成型的坯体放入冷等静压机中，在100 MPa处理10 min，得到层数为5层的具有复合结构的镱掺杂氟化锶光学材料坯体。
3）光学材料的烧结工序：将步骤2）得到的具有复合结构的镱掺杂氟化锶光学材料坯体装入石墨模具中，将模具放入真空炉中烧结。以5℃/min的速率升温至850 ℃，然后施加压力50 MPa，保温10 h。然后，以5℃/min的速率降温至600 ℃，然后样品随炉冷却至室温。
4）光学材料的处理工序：烧结结束后，将样品取出，经砂纸打磨后，在自动抛光机上用金刚石抛光液对光学样品进行双面抛光，即得到层数为5层的具有复合结构的镱掺杂的氟化锶光学材料（SrF2/Yb(5wt.%):SrF2/Yb(10wt.%):SrF2/ Yb(5wt.%):SrF2/SrF2）。
实施例3
1）粉体原料的准备工序：以硝酸锶和氟化钾试剂为原料，在水溶液中采用化学沉淀法合成含有SrF2的悬浊液，悬浊液经离心-洗涤-烘干-研磨，得到SrF2粉体。然后，称量10 gSrF2粉体、0.2 g的氟化铒（ErF3）粉体，将两种粉体在酒精溶液中混合，并将悬浮液置于超声波清洗器中处理30 min，再次经烘干-研磨，得到SrF2-ErF3 (2 wt.%) 混合粉体；采用同样的方法得到SrF2-ErF3 (5 wt.%)、SrF2-ErF3 (10 wt.%) 混合粉体。
2）复合结构坯体的成型工序：向不锈钢模具中装入0.5 g SrF2粉体，对钢模施加5MPa的压力，保压10 min；向模具中装入0.5 g SrF2-ErF3 (2 wt.%) 混合粉体，对钢模施加5MPa的压力，保压10 min；向模具中装入0.5 g SrF2-ErF3 (5 wt.%) 混合粉体，对钢模施加5MPa的压力，保压10 min；向模具中装入0.5 g SrF2-ErF3 (10 wt.%) 混合粉体，对钢模施加5 MPa的压力，保压10 min；向模具中装入0.5 g SrF2-ErF3 (5 wt.%) 混合粉体，对钢模施加5 MPa的压力，保压10 min；向模具中装入0.5 g SrF2-ErF3 (2 wt.%) 混合粉体，对钢模施加5 MPa的压力，保压10 min；向模具中装入0.5 g SrF2粉体，对钢模施加5 MPa的压力，保压10 min；将初成型的坯体放入冷等静压机中，在250 MPa处理10 min，得到层数为7层的具有复合结构的铒掺杂氟化锶光学材料坯体。
3）光学材料的烧结工序：将步骤2）得到的具有复合结构的铒掺杂氟化锶光学材料坯体装入石墨模具中，将模具放入真空炉中烧结。以10℃/min的速率升温至950 ℃，然后施加压力30 MPa，保温5 h。然后，以1℃/min的速率降温至600 ℃，然后样品随炉冷却至室温。
4）光学材料的处理工序：烧结结束后，将样品取出，经砂纸打磨后，在自动抛光机上用金刚石抛光液对光学样品进行双面抛光，即得到层数为7层的具有复合结构的铒掺杂的氟化锶光学材料
SrF2/Er(2wt.%):SrF2/Er(5wt.%):SrF2/ Er(10wt.%):SrF2/Er(5wt.%):SrF2/Er(2wt.%):SrF2/SrF2）。
实施例4
1）粉体原料的准备工序：以硝酸锶和氟化钾试剂为原料，在水溶液中采用化学沉淀法合成含有SrF2的悬浊液，悬浊液经离心-洗涤-烘干-研磨，得到SrF2粉体。然后，称量10 gSrF2粉体、0.7 g的NdF3粉体，将两种粉体在酒精溶液中混合，并将悬浮液置于超声波清洗器中处理30 min，再次经烘干-研磨，得到SrF2-NdF3 (7 wt.%) 混合粉体；采用同样的方法得到SrF2-NdF3 (2 wt.%) 混合粉体。
2）复合结构坯体的成型工序：向不锈钢模具中装入1.0 gSrF2-NdF3 (2wt.%) 混合粉体，对钢模施加10 MPa的压力，保压10 min；向模具中装入1.0 g SrF2-NdF3 (7wt.%) 混合粉体，对钢模施加10 MPa的压力，保压10 min；向模具中装入1.0 gSrF2-NdF3 (2wt.%) 混合粉体，对钢模施加10 MPa的压力，保压10 min；将初成型的坯体放入冷等静压机中，在200MPa处理10 min，得到层数为3层的具有复合结构的钕掺杂氟化锶光学材料坯体。
3）光学材料的烧结工序：将步骤2）得到的具有复合结构的钕掺杂氟化锶光学材料坯体装入石墨模具中，将模具放入真空炉中烧结。以8 ℃/min的速率升温至850 ℃，然后施加压力50 MPa，保温10 h。然后，以5 ℃/min的速率降温至600 ℃，然后样品随炉冷却至室温。
4）光学材料的处理工序：烧结结束后，将样品取出，经砂纸打磨后，在自动抛光机上用金刚石抛光液对光学样品进行双面抛光，即得到层数为3层的具有复合结构的钕掺杂的氟化锶光学材料（Nd(2 wt.%):SrF2/Nd(7 wt.%):SrF2/ Nd(2 wt.%):SrF2）。
实施例5
1）粉体原料的准备工序：以硝酸锶和氟化钾试剂为原料，在水溶液中采用化学沉淀法合成含有SrF2的悬浊液，悬浊液经离心-洗涤-烘干-研磨，得到SrF2粉体。称量10 g SrF2粉体、0.3 g的氟化镧（LaF3）粉体，将两种粉体在酒精溶液中混合，将悬浮液置于超声波清洗器中处理30 min，再次经烘干-研磨，得到SrF2-LaF3 (3 wt.%) 混合粉体；采用同样的方法得到SrF2-ErF3 (3 wt.%) 混合粉体。
2）复合结构坯体的成型工序：向不锈钢模具中装入2.0 g SrF2-ErF3 (3wt.%) 混合粉体，对钢模施加20 MPa的压力，保压10 min；向模具中装入2.0 g SrF2- LaF3 (3wt.%)混合粉体，对钢模施加20 MPa的压力，保压10 min；将初成型的坯体放入冷等静压机中，在250 MPa处理10 min，得到层数为2层的具有复合结构的氟化锶光学材料坯体。
3）光学材料的烧结工序：将步骤2）得到的具有复合结构的氟化锶光学材料坯体装入石墨模具中，将模具放入真空炉中烧结。以10 ℃/min的速率升温至950 ℃，然后施加压力60 MPa，保温10 h。然后，以5 ℃/min的速率降温至600 ℃，随后将模具随炉冷却至室温。
4）光学材料的处理：烧结结束后，将样品取出，经砂纸打磨后，在自动抛光机上用金刚石抛光液对光学样品进行双面抛光，即得到层数为2层的具有复合结构的氟化锶光学材料（Er(3 wt.%):SrF2/La(3 wt.%):SrF2）。
实施例6
1）粉体原料的准备工序：以硝酸锶和氟化钾试剂为原料，在水溶液中采用化学沉淀法合成含有SrF2的悬浊液，悬浊液经离心-洗涤-烘干-研磨，得到SrF2粉体。然后，称量10 gSrF2粉体、1.0 g的ErF3粉体，将两种粉体在酒精溶液中混合，将悬浮液置于超声波清洗器中处理30 min，再次经烘干-研磨，得到SrF2-ErF3 (10 wt.%) 混合粉体；采用同样的方法得到SrF2-NdF3 (10 wt.%)、SrF2-YbF3 (10 wt.%) 混合粉体。
2）复合结构坯体的成型工序：向不锈钢模具中装入1.0 g SrF2-ErF3 (10 wt.%)混合粉体，对钢模施加5 MPa的压力，保压1 min；向模具中装入1.0 g SrF2-NdF3 (10 wt.%)混合粉体，对钢模施加5 MPa的压力，保压1 min；向模具中装入1.0 g SrF2-YbF3 (10 wt.%)混合粉体，对钢模施加5 MPa的压力，保压1 min；将初成型的坯体放入冷等静压机中，在100MPa处理5 min，得到层数为3层的具有复合结构的氟化锶光学材料坯体。
3）光学材料的烧结工序：将步骤2）得到的具有复合结构的氟化锶光学材料坯体装入石墨模具中，将模具放入真空炉中烧结。以5℃/min的速率升温至800 ℃，然后施加压力30 MPa，保温1 h。然后，以1℃/min的速率降温至600 ℃，随后将模具随炉冷却至室温。
4）光学材料的处理工序：烧结结束后，将样品取出，经砂纸打磨后，在自动抛光机上用金刚石抛光液对光学样品进行双面抛光，即得到层数为3层的具有复合结构的氟化锶光学材料（Er(10 wt.%):SrF2/Nd(10 wt.%):SrF2/Yb(10 wt.%):SrF2）。
本发明与现有包括氟化锶晶体和陶瓷在内的组分均匀分布的单结构氟化锶光学材料相比，经复合结构设计后，可提高光学材料的热导率，在激光应用中能够更快的将产生的热量传导出体外，缓解光学材料出现的热效应，使氟化锶光学材料在高功率激光技术等领域中的应用更具竞争力。
最后应当指出，以上所述仅为本发明的优选实施例，只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明。对于本领域的技术人员根据本发明构思作出的若干非本质的改进和调整，均属于本发明的保护范围。
