Transparent polycrystalline ceramics have been developed over several decades for use in many functional optical materials. For the past decade, researches have been actively conducted on the use of nanocomposites in transparent ceramics, and a representative material is the $Y_2O_3$-MgO nanocomposite ceramics. Mid-infrared transmittance is also superior that it is considered to be the advanced infrared transparent ceramics. Regardless of outstanding characteristics of this material, it has severe light scattering at the grain boundaries resulted from large difference in refractive index between two different phases. Therefore, there is a need to study improved and ameliorated sintering strategies that exceed existing limitations.
As a robust approach, pressure-assisted two-step consolidation of $Y_2O_3$-MgO nanocomposite ceramics is in-vestigated to achieve full density while retaining domain size. By effectively suppressing grain growth and eliminating residual pores via two-step hot-pressing, outstanding mid- and near-infrared transmittance are achieved. An Er:$Y_2O_3$-MgO nanocomposite as a new host material candidate is prepared that excellent optical, mechanical and thermal properties are demonstrated. The fluorescence spectrum and cross-section values are also investigated to evaluate the possibility of using the $Y_2O_3$-MgO nanocomposite as a laser gain medium. Finally, based on the spectroscopic analysis of the nanocomposite for oscillation of infrared laser in chapter II, laser oscillation test is carried out. Also, to improve the absorption properies of the nanocomposite ceramics, target wavelength is changed with different activator ion ($Ho^{3+}$). Furthermore, random lasing effect of the nanocomposite ceramics is firstly reported using a severe scattering at the interfere of two phases in nanocomposite.
다결정 투명 세라믹은 다기능성 광학소재로의 활용을 위해 지난 수십 년간 연구가 진행되었다. 특히 최근 10년간 $Y_2O_3$-MgO 나노복합체로 대표되는 복합체 투명세라믹의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 기계적, 열적 특성과 중적외선 투광도가 우수하여 차세대 적외선 투명 세라믹 소재로 각광받고 있다. 우수한 특성에도 불구하고 굴절률이 서로 다른 두 조성의 결정립계에서 발생하는 심한 빛의 산란으로 인해 단파장 영역에서 광투광성이 저하되는 문제가 있다. 산란을 최소화하기 위해 미세구조 내의 결정립 크기를 최소화해야 하지만 기존의 소결법으로는 결정립 성장 억제에 한계가 있어 문제를 해결할 수 있는 새로운 형태의 소결법을 제시할 필요가 있다. 본 연구에서는 소결 공정 시 결정립 성장을 충분히 억제 하기 위해 이중 가압 소결법을 새롭게 도입하여 결정립 성장 억제와 함께 잔류기공을 제어하여 나노복합체의 우수한 근, 중적외선 투광도를 얻었다. 또한 개선된 근적외선 투광도를 기반으로 새로운 적외선 레이저 호스트 재료인 어븀 이온이 도핑된 나노복합체를 제작하고 분광분석을 통하여 근적외선 영역에서의 흡수 및 발광 특성을 분석하였다. 마지막으로 제안된 나노복합체의 적외선 레이저 발진 가능성을 평가하고, 나노복합체의 새로운 광학재료 응용 가능성을 제시하였다.
