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毕业论文-Nd在激光透明陶瓷YAG中的固溶度计算，共93页，37240字
中文摘要
Nd:YAG 是应用最广泛的固体激光材料，提高钕离子在 YAG 基质中的固溶度能
显著提高 Nd:YAG 激光器的输出性能。本文从纯理论角度出发，应用热力学模型分
析计算了 Nd 在激光透明陶瓷 YAG 中的固溶度，对 Nd:YAG 激光器可达到的最优激
光性能给出合理的估测。主要包括以下内容：
应用热力学双亚点阵模型，并结合文献数据表征 Nd:YAG 体系的 Gibbs 自由能
函数，通过 MATLAB 软件对这一复杂函数进行分析、计算得出了不同温度下钕离子
在 YAG 基质中的固溶度，当温度为 2000K 时钕离子固溶度为 70.58mol%，同时发现
G-x 和 S-T 曲线中的两处不合理性，表明 G 函数中部分表述有误，需进一步修正 G
函数参数值，并使 G 函数中体现出 NAG 的稳定性因素。
针对 NAG 相的稳定性问题提出一种判定复合氧化物稳定性的新方法来修正 G
函数参量，这种新方法在 Al2O3-Nd2O3，Al2O3-Y2O3，Al2O3- Gd2O3，Al2O3- Sm2O3四个体
系中都得到了较好的验证。整合上述修正后的参数值可得到更为准确的 G 函数表
达式。重新利用上述固溶度计算方法得出温度为 2000K 时钕离子在 YAG 陶瓷中的
固溶度为 11.00mol%～12.82mol%，略高于实验值 9mol%，表明 Nd:YAG 激光器输出
性能还有一定的提高空间。
关键词：激光器；双亚点阵模型；固溶度；复合氧化物稳定性

ABSTRACT
Neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG) is the most widely used
solid-state laser gain material, whose performance can be significantly improved by
increasing the solubility of Nd in YAG. In this paper thermodynamic modeling was
constructed to calculate the solubility and approximately evaluating the best
performance of Nd:YAG laser. The main conclusions are shown as following:
Combining two sublattice model with first-principles calculations of the enthalpies
of formation from the oxides, an accurate value of the overall Gibbs energy in Nd:YAG
can be obtained. Then the solubility of Nd in YAG at different temperature was
performed with the MATLAB software. The solubility from calculation was as large as
70.58 mol% at 2000K, which is the universal sintering temperature, and seven times
larger than the experiment. Besides two other errors from the G-x and S-T curves, we
should reperformed the model parameters of the Gibbs energy.
In this paper a new method was proposed to determine the stability of the
composite oxides on the purpose of reperforming the model parameters of the Gibbs
energy. The accuracy of the method has been tested in Al2O3-Nd2O3, Al2O3-Y2O3,
Al2O3-Gd2O3, Al2O3-Sm2O3 systems, so we eventually get an accurate Gibbs energy
functions. The final calculation result of solubility is 11.00 mol%～12.82 mol%, a little
larger than the experiment value of 9mol%, showing the development potential of
Nd:YAG laser.
Keywords: solid-state laser; Two Sublattice Model; Solubility; Stability of
composite oxide

目 录
第 1 章 引言 . 1
1.1 研究背景 ...... 1
1.2 Nd:YAG 激光器 .. 2
1.3 计算方法 ...... 3
1.3.1 材料模拟方法分类 ... 3
1.3.2 热力学模型 . 4
1.3.3 第一性原理简介 ...... 6
1.3.4 热力学模型与第一性原理相结合 ....... 7
1.4 研究内容 ...... 9
第 2 章 固溶度计算 .. 11
2.1 引言 . 11
2.2 热力学模型确定 11
2.2.1 YAG 晶体结构 ....... 11
2.2.2 反位缺陷 .. 12
2.2.3 掺杂方式 .. 13
2.2.4 热力学模型确定 .... 14
2.2.5 参数优化 .. 16
2.3 数据筛选 ..... 17
2.4 固溶度计算 ... 18
2.5 结果分析与讨论 ....... 23
2.6 本章小结 ..... 24
第 3 章 G 函数参数修正 ....... 25
3.1 引言 . 25
3.2 参数分析 ..... 26
3.2.1 参数对固溶度值的影响 ...... 26
3.2.2 参数不合理性分析 .. 32
3.3 参数修正 ..... 34
3.3.1 利用 3.2 节分析结果修正参数 . 34
3.3.2 利用 NAG 稳定性修正参数 .... 35
3.4 固溶度计算 ... 43
3.4.1 a，b 参数修正后的固溶度计算 43
3.4.2 a，b，c 参数修正后的固溶度计算 ..... 43
3.4.3 固溶度计算值与实验值对比 .. 44
3.4.4 a/b 比值修正 ....... 45
3.4.5 a/b 比值修正后的固溶度计算 . 50
3.5 结果分析 ..... 51
3.6 本章小结 ..... 52
第 4 章 检验 54
4.1 Al2O3-Y2O3 体系 54
4.2 Al2O3-Gd2O3 体系 ....... 56
4.3 Al2O3-Sm2O3 体系 ....... 57
4.4 本章小结 ..... 59
第 5 章 结论 60
插图索引 ... 61
表格索引 ... 63
参考文献 ... 65
致谢 ... 67
声明 ... 68
附录 A 外文资料的书面翻译 ... 69