铌酸锂晶体集压电、非线性、电光、光折变等效应于一身, 同时其物理化学性质稳定, 在集成光学领域极具应用潜力。然而, 大尺寸铌酸锂晶体生长的热场设计难度大, 其中坩埚形状作为热场设计的重要因素, 对晶体生长的影响显著。坩埚直径和高度受制于装料量和晶体直径等硬性约束, 因此通常通过改变坩埚局部的形状以改善热场。针对坩埚底角形状对大尺寸同成分铌酸锂晶体生长的影响, 本研究使用两种底角形状的坩埚进行了四英寸同成分铌酸锂晶体生长实验。通过数值模拟, 分析了坩埚底角形状对固液界面附近晶体内和熔体内轴向温度梯度的影响, 以及对固液界面下方熔体内温度分布的影响, 进而结合晶体生长结果分析了坩埚底角形状对晶体生长的影响。研究表明: 坩埚底角形状的变化会引起坩埚侧壁上温差的变化和熔体内温度梯度的变化, 并改变熔体自然对流的强弱; 与底部斜角坩埚相比, 使用底部弧角坩埚时, 固液界面附近晶体内和熔体内的轴向温度梯度较大, 固液界面下方熔体内的轴向温度梯度较大, 自然对流更强。这一研究结果有助于解决晶体生长脊展宽和胞状界面生长等问题。

β-Ga₂O₃是一种新型超宽带隙半导体材料, 性能出色, 在高功率电子器件和日盲深紫外探测器等领域有着巨大的应用前景。通过掺入In³⁺离子, 可以调节β-Ga₂O₃的带隙宽度和光学性质, 从而进一步拓展其应用范围。本研究以高纯度Ga₂O₃、In₂O₃为原料, 采用光学浮区法制备了β-Ga₂O₃:9%In、β-Ga₂O₃:15%In单晶。生长速度为5 mm/h时, 晶体出现失透现象, 在光学显微镜下观察, 发现晶体中含有大量气泡缺陷, 这些缺陷主要呈条状和球状, 其中条状气泡的长度在50~200 μm范围内, 沿[010]晶体生长方向延伸。通过扫描电子显微镜观察缺陷形貌和元素分布, 发现气泡周围的元素分布均匀, 无杂质元素聚集。结果表明, 缺陷的形成与In₂O₃高温分解有关, 产生的气体未及时排出, 随熔体结晶进入晶体内部形成气泡。优化晶体生长工艺解决了气泡缺陷引起的晶体失透问题, 得到的透明β-Ga₂O₃:9%In单晶摇摆曲线半峰宽可达44 arcsec, 晶体的结晶质量显著提升。本研究为生长高质量β-Ga₂O₃:In体块单晶提供了解决方案, 为深入了解其光电性能奠定了基础。

Y₂O₃以其优良的物理化学性质和在280 nm~8 μm宽频段内的高透明性, 而广泛应用于激光介质或光学窗口等领域。制备高透明的Y₂O₃陶瓷是目前的研究热点和难点, 而高质量的粉体是制备高透明Y₂O₃陶瓷的关键, 尿素均相沉淀法以其爆发成核和均匀可控的阴离子释放机制成为制备单分散颗粒的主要方法。本工作以硝酸钇和尿素为原料, 采用尿素均相沉淀法制备了单分散、亚微米级的球形Y₂O₃粉体。采用不同方法研究了Y₂O₃前驱体和煅烧后粉体的结构、物相演变和形貌。前驱体的颗粒尺寸约为330 nm, 800 ℃煅烧2 h得到的Y₂O₃粉体尺寸约为260 nm。在800 ℃煅烧后即可得到纯相的Y₂O₃粉体, 粉体呈球形, 分散性好, 且粒径均匀。以该Y₂O₃粉体为原料, 添加原子分数0.3%的Nb₂O₅为烧结助剂, 在1780 ℃通过真空无压烧结成功制备了透明Y₂O₃陶瓷。材料的光学性质优良, 即样品(厚度1 mm)的直线透过率在1100 nm处达到76.9%, 在400 nm处达到65.6%。本工作为制备性能优良的Y₂O₃透明陶瓷提供了一种新的方法。

MgAl_1.9Ga_0.1O₄透明陶瓷具有优异的光学性能, 其制备依赖于高质量坯体的凝胶注模成型和长时间的无压预烧。本研究选择MgF₂为烧结助剂, 并通过瞬时液相调节无压预烧的致密化过程。采用干压成型、无压预烧和热等静压烧结制备了不同尺寸的MgAl_1.9Ga_0.1O₄透明陶瓷样品, 并系统分析了MgF₂对材料显微结构、光学和机械性能的影响。研究表明：MgF₂在~1230 ℃熔化形成的液相促使陶瓷的致密度与晶粒尺寸增大, 后续烧结过程中残留的MgF₂氧化为MgO并固溶进入MgAl_1.9Ga_0.1O₄晶格。添加质量分数0.2% MgF₂的2.04 mm厚透明陶瓷样品在紫外和可见光区域具有76.5%~83.4%的直线透过率和较高的光学质量。此外, 该陶瓷的特征抗弯强度为167.1 MPa, 与细晶MgAl₂O₄透明陶瓷相近, 但是前者的Weibull模数(8.81±0.29)更高。本研究为制备光学性能良好的大尺寸MgAl_1.9Ga_0.1O₄透明陶瓷提供了新的选择。

透明AlON具有优异的光学和力学性能, 应用前景广阔。但材料制备成本高昂, 限制了其应用发展。为解决上述问题, 本研究以透明AlON的凝胶浇注成型与无压烧结制备为核心目标, 就AlON细粉的低温合成及其抗水化处理展开重点研究。研究发现以有机聚合物包覆AlN/Al₂O₃为原料, 通过高温碳热-氮化工艺合成AlON, 可有效降低AlON的合成温度, 在1700 ℃即可合成近乎纯相的AlON粉体。所得粉体颗粒尺寸细小, 在亚微米级。通过对上述粉体进行聚氨酯包覆表面抗水化处理, 可大幅度提升其抗水化性能。即使历经长达72 h水中静置, 也不发生明显的水解。以此为基础, 通过凝胶浇注成型结合生坯的冷等静压后处理在1820~1850 ℃成功实现了透明AlON陶瓷的无压烧结制备。材料力学和光学性能优异, 其中1850 ℃烧结试样在紫外-中红外波段直线透过率达到83.1%~ 86.2%, 三点抗弯强度达到310 MPa。

透明陶瓷兼具高强度、高硬度和优异的光学性能, 在轻量化透明装甲领域具有重要的应用前景。制备大尺寸和高光学质量透明陶瓷部件是实现其应用的主要挑战。本工作采用国产商业Al₂O₃和Y₂O₃为起始原料, 通过真空反应烧结工艺制备钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂, 简称YAG)透明陶瓷, 突破了大尺寸素坯干压成型与脱黏、真空烧结及光学性能提升等关键技术, 成功研制了低变形量、高光学质量的YAG透明陶瓷, 并通过成型和烧结设备的升级改造, YAG透明陶瓷的最大可制备尺寸达到1040 mm×810 mm×15 mm, 为后期应用奠定了坚实基础。

Gd₂O₂S:Tb闪烁陶瓷以其明亮的绿色发光、高能量转换效率和高中子俘获截面而广泛应用于中子成像和工业无损检测等领域, 但Gd₂O₂S:Tb陶瓷中存在的Gd₂O₃第二相影响其闪烁性能。本工作以H₂SO₄和Gd₂O₃为原料, 采用水浴法合成Gd₂O₂S:Tb前驱体, 研究了H₂SO₄与Gd₂O₃的摩尔比(n)对前驱体和Gd₂O₂S:Tb粉体性能的影响。前驱体的化学组成随n增大而变化：2Gd₂O₃·Gd₂(SO₄)₃·xH₂O(n<2.00)、Gd₂O₃·2Gd₂(SO₄)₃·xH₂O (2.25≤n≤2.75)和Gd₂(SO₄)₃·8H₂O(n=3.00), 经过空气煅烧和氢气还原后, 所有的粉体均形成Gd₂O₂S相。Gd₂O₂S:Tb粉体的形貌与前驱体的相组成密切相关, 随着n增大, Gd₂O₂S:Tb粉体的XEL强度增加呈现出两个阶段, 对应前驱体的相转变阶段。采用真空预烧结合热等静压烧结制备了Gd₂O₂S:Tb陶瓷, 相较于n为2.00、2.25、2.50, 其他n制备的Gd₂O₂S:Tb陶瓷都达到了较高的相对密度和XEL强度, 不同n制备的陶瓷中都存在Gd₂O₃第二相, n增大有利于减少陶瓷内部的第二相, 为进一步消除Gd₂O₂S:Tb陶瓷中的第二相提供了思路。

中子探测技术广泛用于国土安全、核材料安全检测以及高能物理等领域, 由于³He资源紧缺, 近年来急需开发出能够同时甄别中子/伽马的新型闪烁晶体, Cs₂LaLiBr₆:Ce(CLLB:Ce)晶体具有良好的中子/伽马甄别能力、优异的能量分辨率以及高的光输出, 但其中子/伽马甄别性能有待进一步提高。本研究采用垂直布里奇曼法成功生长了Zr⁴⁺共掺杂的CLLB:Ce晶体。通过不同表征手段研究了Zr⁴⁺共掺杂CLLB:Ce晶体的结构和组分, 结果表明Zr⁴⁺成功掺入基质材料且对基质晶体结构不产生明显的影响, Zr⁴⁺共掺杂后没有产生新的发光中心, 紫外衰减时间约为27.0 ns, 仍具有较快的荧光衰减。Zr⁴⁺共掺杂CLLB:Ce晶体的品质因子(Figure of Merit, FOM)从1.2提高到1.5, 表明其中子/伽马甄别能力得到改善。结合热稳定性和闪烁衰减时间, 探讨了衰减时间对FOM的影响机制, Zr⁴⁺共掺杂可以抑制浅电子陷阱和V_k中心, 减少电子捕获和脱陷过程, 使Ce³⁺直接捕获的概率大大增加, 从而表现出更快的衰减速率。本研究显示, Zr⁴⁺共掺杂CLLB:Ce晶体在中子/伽马探测领域具有潜在的应用前景。

采用Chzochralski方法成功生长了Dy³⁺掺杂的SrGdGa₃O₇晶体, 并对其结构和光学特性进行了详细研究。基于XRD数据, 采用Rietveld法优化了晶体的晶格参数。分析了Dy: SrGdGa₃O₇晶体的偏振吸收谱、偏振发射谱和荧光衰减曲线。在452 nm处, π偏振和σ偏振对应的吸收截面分别为0.594×10^-21和0.555×10^-21 cm²。计算得到的有效J-O强度参数Ω₂、Ω₄和Ω₆分别为5.495×10^-20、1.476×10^-20和1.110×10^-20 cm²。J-O理论分析和荧光光谱表明: 在452 nm激发下, Dy: SrGdGa₃O₇晶体⁴F_9/2→⁶H_13/2跃迁在可见光波段具有最高的荧光分支比和荧光强度, 在574 nm处的π和σ偏振发射截面分别为1.84×10^-21和2.49×10^-21 cm²。Dy³⁺: ⁴F_9/2能级的辐射寿命和荧光寿命分别为0.768和0.531 ms, 量子效率为69.1%。研究结果表明: Dy³⁺: SrGdGa₃O₇晶体是一种潜在的可用于蓝光LD泵浦实现黄激光的材料。

硼酸钙镧晶体是一种激光基质晶体, 以其优秀的物理特性而受到广泛关注。稀土离子掺杂的硼酸钙镧晶体在紫外激光器领域的研究尚不多见。本研究采用顶部籽晶法成功生长出尺寸为40 mm×21 mm×6 mm的铈掺杂硼酸钙镧晶体。研究了铈掺杂硼酸钙镧晶体室温光谱性质, 测量了室温下其透过光谱以及紫外-吸收光谱, 发现铈离子掺杂导致晶体在200~288 nm以及305~330 nm紫外波段吸收较强。测试了室温下铈掺杂硼酸钙镧晶体的激发光谱, 并且利用波长260 nm的连续光激发得到发射光谱, 发现主要发射带中心波长位于290, 304, 331和353 nm处, 对应于铈离子5d态到²F_5/2和²F_7/2态的跃迁。对铈掺杂硼酸钙镧晶体的热学性质进行了研究, 发现其在300 K下具有较高的热导率(6.45 W/(m·K)), 且随着温度升高保持良好的热稳定性。358 K条件下, 热膨胀系数及c方向的晶格常数分别为2.94×10^-6 /K和0.91240 nm, 随着温度升高至773 K，线性增加到5.3×10^-5 /K和0.91246 nm。研究结果表明：铈掺杂硼酸钙镧晶体具有良好的光学性能和热稳定性, 适合应用于紫外激光领域。