專利名稱：一種摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體及其制備方法和用途的制作方法
一種摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體及其制備方法和用途技術(shù)領(lǐng)域摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體及其制備方法和用途，它涉及光電子功能材料 技術(shù)領(lǐng)域中的人工晶體和晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域，尤其是涉及一種作為固態(tài)激光器中的 工作物質(zhì)的激光晶體材料。
技術(shù)背景激光晶體是固體激光器的工作物質(zhì)，它是指以晶體為基質(zhì)，通過分立的發(fā) 光中心吸收泵浦光能量并將其轉(zhuǎn)化為激光輸出的發(fā)光材料。固體激光工作物質(zhì) 由基質(zhì)材料和激活離子組成，其各種物理和化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)材料決定，而其光譜特性和熒光壽命等則由激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。自1960年，研制成功 人造紅寶石脈沖激光器以來，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種激光晶體，但因各種 原因，能真正得到實(shí)際應(yīng)用的激光晶體只有十來種。目前，應(yīng)用最廣泛的激光晶體是摻鐿離子的釔鋁石榴石(YAG)晶體，其 具有較好的各種物理和化學(xué)性能，且易于生長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸的優(yōu)質(zhì)晶 體。但它存在著吸收譜線窄，不適宜于用LD來進(jìn)行泵浦的缺點(diǎn)，而LD泵浦將 是今后激光泵浦源的發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)外都在積極尋找各種物理、化學(xué)性能和機(jī)械性能優(yōu)異，且易于生 長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸并適合于LD泵浦的優(yōu)質(zhì)激光晶體材料。鐿離子是能級(jí) 結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的離子，其吸收帶寬且與InGaAs LD泵浦源有效耦合,非常適合LD 泵浦。相比于釹離子，鐿離子有很多優(yōu)點(diǎn)，如不存在激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換，具 有高的熒光壽命和光轉(zhuǎn)換效率等等。因此，近年來鐿離子成為激光晶體激活離 子的熱門之選。
硼酸氧鈣釔(YCOB)晶體是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型非線性晶體材料。YCOB晶體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的二次倍頻和三次倍頻，其倍頻系數(shù)分別 達(dá)到KDP的2.8和1.4倍.該晶體有很寬的透射波段，穩(wěn)定的物化性能和良好的機(jī)械加工性能。并且該晶體中的釔離子可以被激活離子如釹，鐿取代，成為 自倍頻，或者自混頻激光晶體。研究表明釔離子可以被其他稀土離子部分取代, 形成置換式固溶體，來提高晶體的物理性能和光學(xué)性能。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就在于研制 一 種新的激光晶體Yb^YLxLaxCa40(B03)3 X<0.5，(簡(jiǎn)寫為Yb3+:YLCOB)，能夠直接使用閃光燈和LD泵浦的，具有較好 激光性能和較高轉(zhuǎn)換效率的激光晶體材料。該晶體是用鑭離子替代YCOB中的 部分釔離子，形成以YCOB為基的固溶體。Yb3+:YLCOB晶體屬于單斜晶系， 具有Cm空間群結(jié)構(gòu)。其中鐿離子是作為摻雜離子，取代釔和鑭離子的晶格位 置，鐿的摻雜濃度在latn/。 20at。/。之間。Yb3+:YLCOB晶體是一種同成分熔化的化合物，可以釆用提拉法生長(zhǎng)。按摩 爾比YbyY,"LaxCa40(B03)的比例進(jìn)行稱樣、混合、壓片，然后進(jìn)行固相合成。 Yb2Cb則按所需濃度加入。所用原料為藥品名純度廠家Yb20399.999%中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所Y20399.999%中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所La20399.999%中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所CaC0399.99%上海五四化學(xué)試劑廠H3B0399.99%中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司其主要生長(zhǎng)條件如下生長(zhǎng)是在銥坩鍋中、惰性氣體(如N2、 Ar等)氣氛下 行，晶體生長(zhǎng)的參數(shù)為生長(zhǎng)溫度150(TC左右，提升速度為0.5 2.0毫米/小時(shí)， 晶體轉(zhuǎn)速5 20轉(zhuǎn)/分鐘。將生長(zhǎng)出的Yb3+:YLCOB晶體，進(jìn)行了定向，確定了其折射率主軸。然后 進(jìn)行了偏振吸收光譜、熒光光譜，熒光壽命和物化性質(zhì)等的分析測(cè)試，結(jié)果表 明Yb3+:YLCOB晶體熱力學(xué)性質(zhì)以及硬度等物化性質(zhì)和YCOB晶體基本相同。 但其光譜性能有了顯著的提高。例如，當(dāng)X二0.09時(shí)，其主吸收峰977nm的吸 收躍遷截面為1.06X10'2()Cm2，非常適合于采用InGaAs半導(dǎo)體激光來進(jìn)行泵浦， 有利于激光晶體對(duì)泵浦光的吸收，提高泵浦效率。在900nm-1150nm處有一個(gè)非 常寬的發(fā)射帶，其中發(fā)射峰1035nm的發(fā)射躍遷截面為0.72X10氣m2。其倍頻 系數(shù)是KDP的3.2倍。相比Yb^YCOB，其吸收和發(fā)射躍遷截面都增大了。這 非常有利于提高Yb3+:YLCOB晶體的激光性能。Yb3+:YLCOB晶體可用提拉法非常容易地生長(zhǎng)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的晶體，生長(zhǎng)速度 快，晶體硬度適中，具有良好的導(dǎo)熱性能，有優(yōu)良的光學(xué)特性，很容易用閃光 燈泵浦和LD泵浦獲得激光輸出，激光輸出波長(zhǎng)為liim左右，或者通過自倍頻 得到藍(lán)綠光。因此，該晶體可作為一種較好的激光晶體或者激光自倍頻晶體。
具體實(shí)施方式
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)優(yōu)選方式如下實(shí)施例1:提拉法生長(zhǎng)摻雜濃度為10.0at.。/。Yb"的Yb3+:Y081La,Ca4O(BO3)3激光晶體。將按配比準(zhǔn)確稱量好的CaC03、 Y203、 La203、 H3B03、 Yb203混合研磨均 勻，壓片后，放入d)60X40mn/的鉑坩鍋中，在馬弗爐中于90(TC固相反應(yīng)12小 時(shí)；取出后，重新研磨壓片再升溫至120(TC反應(yīng)24小時(shí)。將合成好的以上樣品 放入銥坩鍋中，釆用提拉法，在N2氣氛中，生長(zhǎng)溫度為150(TC左右、晶體轉(zhuǎn)速
為12轉(zhuǎn)/分鐘，拉速為0.5-2毫米/小時(shí)的情況下，生長(zhǎng)出了尺寸為cH5X22咖5的高質(zhì)量的￥133+含量為10.0at，/。的Yb3+:Ya81LaQ.o9Ca40(B03)3晶體。實(shí)施例2:提拉法生長(zhǎng)摻雜濃度為10.0at.。/。Yb3+的￥133+:丫0.651^0.2^340(:603)3激光晶體。將按配比準(zhǔn)確稱量好的CaC03、 Y203、 La203、 H3B03、 Yb203混合研磨均 勻，壓片后，放入4)60X40mn^的鉑坩鍋中，在馬弗爐中于900°C固相反應(yīng)12小 時(shí)；取出后，重新研磨壓片再升溫至120(TC反應(yīng)24小時(shí)。將合成好的以上樣品 放入銥坩鍋中，采用提拉法，在N2氣氛中，生長(zhǎng)溫度為150(TC左右、晶體轉(zhuǎn)速 為10轉(zhuǎn)/分鐘，拉速為0. 5-1. 5毫米/小時(shí)的情況下，生長(zhǎng)出了尺寸為4>22X25 mm3 的高質(zhì)量的Yb3+含量為10.0at,。/。的Yb3+:Y,Lao.25Ca40(B03)3晶體。
權(quán)利要求
1. 一種摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體，其特征在于該晶體的分子式為Yb3+:Y1-XLaxCa4O(BO3)3，其中X小于0.5。此晶體屬于單斜晶系，空間群為Cm。
2. 如權(quán)利要求1所述的摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體，其特征在于在該晶體 中，Yl嚴(yán)離子作為摻雜離子，取代晶體中Y31P 1^3+離子的晶格位置，其 摻雜濃度在lat. -2(^.%之間。
3. —種權(quán)利要求1的摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體的制備方法，其特征在于-該晶體采用提拉法生長(zhǎng)，以￥203、 La203、 CaC03、 H3B03和Yb203為原 料，按摩爾比YbyY,.x.yLaxCa40(B03)3的比例稱樣、混合、壓片，固相合 成。在銥金坩鍋中，惰性氣體氣氛下提拉生長(zhǎng)出晶體，晶體生長(zhǎng)的參數(shù)為 生長(zhǎng)溫度150(TC左右，提升速度為0.5~2.0毫米/小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速為5 20 轉(zhuǎn)/分鐘。
4. 一種權(quán)利要求1的摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體的用途，其特征在于該晶 體用于固體激光器中作為激光工作物質(zhì)，使用閃光燈或激光二極管作為泵 浦源，激發(fā)產(chǎn)生l^m左右波長(zhǎng)的激光輸出。
5. —種權(quán)利要求1的摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體的用途，其特征在于該晶 體用于固體激光器中作為激光工作物質(zhì)，使用閃光燈或激光二極管作為泵 浦源，通過自倍頻或者自混頻的非線形光學(xué)手段得到藍(lán)綠色激光輸出。
全文摘要
一種摻鐿硼酸氧鈣釔鑭激光晶體及其制備方法和用途，涉及人工晶體領(lǐng)域，特別是涉及一種激光晶體摻鐿硼酸氧鈣釔鑭(Yb<sup>3+</sup>:Y<sub>1-X</sub>La<sub>X</sub>Ca<sub>4</sub>O(BO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>)及其制備方法和用途。采用提拉法(Czochralski方法)，在1500℃左右，以5-20轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，0.5-2毫米/小時(shí)的拉速，生長(zhǎng)出了高質(zhì)量、較大尺寸的Yb<sup>3+</sup>:Y<sub>1-X</sub>La<sub>X</sub>Ca<sub>4</sub>O(BO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>晶體。該晶體是一種新型的激光晶體，可產(chǎn)生1μm左右波長(zhǎng)的激光輸出。該晶體還有倍頻效應(yīng)，可以通過自倍頻或者自混頻的非線形光學(xué)手段得到藍(lán)綠色激光輸出。用該晶體制成的固體激光器可用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域中。
文檔編號(hào)H01S3/16GK101212123SQ20061013538
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者張莉珍, 林州斌, 王國(guó)富, 胡祖樹, 波 韋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所