一種鐿激活硼酸鑭鈣超快激光晶體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種鐿激活硼酸鑭鈣新型超快激光晶體，該晶體的化學(xué)式為Ca3La2(1-x)Yb2x(BO3)4，0<x<1，Yb3+取代晶體中的La3+。其特征在于：采用純度為99.99％的La2O3、Yb2O3與分析純的H3BO3、CaCO3作為原料，通過高溫固相反應(yīng)獲得Yb3+:Ca3La2(BO3)4多晶料，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下采用提拉法生長獲得優(yōu)質(zhì)晶體。該材料用于實(shí)現(xiàn)～1.0μm波段超快激光輸出，應(yīng)用于激光遠(yuǎn)距離測距、飛秒化學(xué)與物理學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、光通信等領(lǐng)域。
【專利說明】一種鐿激活硼酸鑭鈣超快激光晶體
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及激光晶體材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超快激光是指脈沖寬度為ps (皮秒，I(T12S)到fs (飛秒，I(T15S)量級的激光，與其它長脈沖激光以及連續(xù)激光不同，它具有超短脈沖、超高電場和超寬頻譜等特性，是一種實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)的極端物理?xiàng)l件。超短的脈沖持續(xù)時間只需較小的激光能量(μ J)就可以在聚焦點(diǎn)產(chǎn)生極高的瞬間功率，可達(dá)百萬億瓦，其聚焦強(qiáng)度比太陽輻射到地球上的全部光聚焦成針尖般大小后的能量密度還要高。飛秒激光脈沖能夠產(chǎn)生等離子體，當(dāng)其與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用時可以產(chǎn)生形形色色的基于光與物質(zhì)非線性相互作用的現(xiàn)象。超快激光技術(shù)已廣泛應(yīng)用于信息、能源、環(huán)境、醫(yī)療、國防和基礎(chǔ)科學(xué)研究等各個領(lǐng)域。
[0003]超快激光器的核心元件是激光增益介質(zhì)，作為一種優(yōu)秀的飛秒激光增益介質(zhì)需要滿足以下諸多條件:
[0004]1.具有足夠大的激光發(fā)射帶寬Λ λ Laser,以便獲得飛秒級的脈寬；
[0005]2.具有與高功率泵浦源相匹配的吸收波長λ ρ_和吸收帶寬Λ λ pump ；
[0006]3.具有足夠小的量子缺陷(I — λ Pump/ λ Laser)以便減少熱負(fù)荷；
[0007]4.不存在諸如無輻射弛豫、激發(fā)態(tài)吸收、上轉(zhuǎn)換和交叉弛豫等寄生過程；
[0008]5.具有足夠高的發(fā)射截面和足夠長的熒光壽命以便減少激光閾值；
[0009]6.具有足夠高的激活離子摻雜濃度與吸收截面，以便減少晶體的尺寸；
[0010]7.具有足夠大的熱導(dǎo)率以便及時導(dǎo)走熱量；
[0011]8.具有足夠大的機(jī)械硬度以及足夠弱的熱誘導(dǎo)應(yīng)力裂解效應(yīng)。
[0012]目前一般在?1.0 μ m波段作為超快激光的激活離子有Nd3+、Yb3+等稀土離子。隨著半導(dǎo)體激光器的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體抽運(yùn)的摻Y(jié)b3+介質(zhì)超快激光器已成為近年來人們研究的熱點(diǎn)。Yb3+激活的激光晶體在0.9?1.1 μ m范圍吸收帶寬較寬，能與InGaAs LD泵浦源有效耦合。與Nd3+激活的激光晶體相比，它具有以下許多優(yōu)點(diǎn):
[0013]1.在?1.0 μ m處熒光發(fā)射譜帶更寬，更適合超短脈沖和寬調(diào)諧激光運(yùn)轉(zhuǎn)；
[0014]2.量子缺陷較低(約為5%?15%)，比摻雜Nd3+的介質(zhì)低2?3倍，具有大的本征激光效率，理論上量子效率高達(dá)90%，具有較大的激光運(yùn)轉(zhuǎn)效率和低的熱負(fù)荷，更適合于高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)；
[0015]3.熒光壽命長達(dá)I?2ms，為摻Nd3+材料的三倍多，有利于超短脈沖放大和調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)；
[0016]4.能級結(jié)構(gòu)最簡單，僅有基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài)2F5/2，不存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度猝滅和上轉(zhuǎn)換等不必要的能量損耗，光轉(zhuǎn)換效率高；
[0017]5.其輸出波長在1030?1060nm，這在光通信領(lǐng)域和作為釹玻璃放大器的振蕩級方面具有很好的應(yīng)用價值；
[0018]6.由于離子尺寸較小，在介質(zhì)中的距離較大，可摻雜較高濃度。[0019]摻雜Yb3+介質(zhì)的缺點(diǎn)是由于它是準(zhǔn)三能級結(jié)構(gòu)，其光譜內(nèi)的吸收峰與發(fā)射峰有一定的重合，因此可能會造成不可忽略的激光波長的再吸收以及較高的抽運(yùn)閾值，這需要從光譜和激光技術(shù)方面入手進(jìn)行克服。
[0020]雖然目前已經(jīng)研究出多種飛秒激光介質(zhì)材料，但是在實(shí)際應(yīng)用上仍不盡人意，在高功率與超短脈寬兩者之間很難兼顧。例如，現(xiàn)在獲得的最高功率和脈沖能量的介質(zhì)是Yb3+:YAG晶體，但是它較窄的熒光發(fā)射增益帶寬嚴(yán)重地限制了激光輸出脈寬，使得脈寬達(dá)到680fs，另一方面，目前獲得的最短激光輸出脈寬6fs的介質(zhì)是鈦寶石晶體材料，但是由于缺乏高功率可見光半導(dǎo)體泵浦源和熱負(fù)荷等問題，所以很難獲得高功率的飛秒激光輸出。盡管目前研究的一些稀土氧化物增益材料如Sc2O3, Y2O3等，從理論上預(yù)計能夠適當(dāng)兼顧到激光的高功率與超短脈寬輸出的問題，但是由于材料具有很高的熔點(diǎn)(約2400°C )，難以獲得高質(zhì)量大尺寸的晶體，也在一定程度地限制了性能的發(fā)揮，并且在將來的商業(yè)化成本核算方面也不占優(yōu)勢。為此，很有必要繼續(xù)深入研究探索新型的超快激光增益介質(zhì)材料。
[0021]近年來在國內(nèi)外許多科研組的努力下，開發(fā)出幾種新型的較短飛秒脈沖的激光晶體，例如 Yb:GdCa4O (BO3) 3、Yb: Sr3Y (BO3) 3、Yb: YAl3 (BO3) 4、Yb:KGW、Yb: CaGdAlO4 等，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，我們將選擇Yb3+激活的Ca3La2 (BO3) 4晶體作為?1.0 μ m紅外波段的超快激光增益介質(zhì)，主要出于以下原因:
[0022]第一，Ca3La2 (BO3)4晶體作為一種優(yōu)異的激光基質(zhì)材料，是產(chǎn)生高功率、短脈沖紅外激光的優(yōu)選材料之一。
[0023]Ca3La2 (BO3)4晶體屬于四方晶系，空間群Pnma。該體系具有物化性能良好(不吸潮、不溶于酸堿)，熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，熔點(diǎn)1500°C左右、同成分熔化，可采用提拉法較容易獲得大尺寸優(yōu)質(zhì)單晶。這些特點(diǎn)使得晶體不僅滿足?Ι.Ομπι波段超快激光的一般要求，而且具有高的光損傷閾值和激光量子效率。而且，Ca3La2 (BO3)4晶體具有一定的無序結(jié)構(gòu)特征，該分子中Ca2+、La3+離子以一定的比例隨機(jī)統(tǒng)計分布在一個晶格點(diǎn)位置上。由于其價態(tài)、粒子半徑和結(jié)晶性能的差異，造成晶體內(nèi)部的無序結(jié)構(gòu)，使得摻雜離子Yb3+取代La3+離子后基質(zhì)晶體中形成許多結(jié)構(gòu)各異的激活中心，導(dǎo)致它的吸收和發(fā)射光譜獲得非均勻展寬，這樣，一方面將有利于鎖模激光的產(chǎn)生，另一方面也將引起Yb3+準(zhǔn)三能級系統(tǒng)激光下能級的劈裂增大，從而克服由Yb3+系統(tǒng)中存在的上轉(zhuǎn)換和反向能量傳遞等能量損耗所弓I起的高激光閾值和低激光功效等缺點(diǎn)，可以大大地降低激光閾值和提高激光輸出功效。
[0024]第二，Yb3+激活的Ca3La2 (BO3) 4晶體可以成為優(yōu)秀的?1.0 μ m超快激光增益介質(zhì)。
[0025]Yb3+激活的Ca3Re2 (BO3) 4 (Re = Y, Gd, La, Lu等)系列晶體作為飛秒激光增益介質(zhì)已經(jīng)引起了人們廣泛的研究興趣，例如，2012年我們科研組新發(fā)現(xiàn)了一種優(yōu)秀的飛秒激光晶體一Yb3+= Ca3Y2 (BO3)4，采用LD泵浦和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)進(jìn)行被動鎖模激光實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了平均輸出功率為261mW、1044nm的飛秒激光輸出，脈寬244fs，重復(fù)頻率55MHz，研究工作發(fā)表在Laser Phys.Lett.上。研究結(jié)果表明:具有無序結(jié)構(gòu)特征的Ca3Re2 (BO3) 4晶體家族是綜合性能非常突出的超快激光晶體，而且目前尚無Yb3+激活的Ca3La2 (BO3)4晶體作為?1.0 μ m波段超快激光晶體的研究報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]本發(fā)明的目的在于公開一種Yb3+激活的Ca3La2 (BO3)4紅外超快激光晶體。本發(fā)明針對~1.0ym超快激光的迫切需求和研究現(xiàn)狀，提供了 LD泵浦Yb3+= Ca3La2 (BO3)4晶體直接實(shí)現(xiàn)紅外波段超快激光輸出，化學(xué)式為Ca3La2(1_x)Yb2x (BO3)4，0〈x〈I，Yb3+取代晶體中的La3+。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行具體描述:
[0028]圖1:Yb3+: Ca3La2 (BO3) 4晶體的室溫偏振吸收光譜。
[0029]圖2:Yb3+:Ca3La2 (BO3) 4晶體在近紅外波段的室溫偏振熒光光譜。
[0030]圖3:Yb3+:Ca3La2 (BO3) 4晶體的超快激光實(shí)驗(yàn)裝置圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0031]Yb3+ICa3La2(BO3)4晶體的生長制備、光譜性能和超快激光試驗(yàn)方案
[0032]晶體提拉法生長所用的儀器是型號為D幾-400的提拉爐，中頻電源型號為KGPF25-0.3-2.5。 采用Pt/Pt-Rh的熱電偶和型號為815EPC的歐路表控溫。所采用的坩堝是Φ55πιπιΧ30mm的銥坩堝，所用的原料是4N級的La203、Yb2O3和分析純的CaC03、H3BO3等。根據(jù)下列化學(xué)反應(yīng)式配制原料:
[0033]3CaC03+(l_x) La203+xYb203+4H3B03 — Ca3La2 (卜x)Yb2x (BO3) 4+6H20 丨 +3C02 個
[0034]其中，Yb3+的摻雜濃度0〈χ〈1，Yb3+取代晶體中的La3+。把原料混合均勻，壓成片狀，放進(jìn)鉬坩堝，置入普通燒結(jié)爐中，以150°C /h緩慢升溫到1080°C，保持48h，重復(fù)此過程，然后放入高溫?zé)Y(jié)爐中在1100°C下恒溫?zé)Y(jié)72h，取出多晶料，直至X射線粉末衍射與標(biāo)準(zhǔn)卡片完全相符為止。
[0035]把原料裝入Φ55mmX 30mm的銥坩堝內(nèi)，為了避免銥坩堝的氧化，首先抽出爐子內(nèi)的空氣，使得爐子內(nèi)的氣壓達(dá)到負(fù)0.01MPa，再充入高純氮?dú)馐沟脷鈮哼_(dá)到0.04MPa,然后升溫到比熔點(diǎn)高50°C的溫度，恒溫I小時，使得原料熔化完全。生長過程中，籽晶桿的提拉速率為1.3~1.5mm/h,降溫速率為2~10°C /h，籽晶桿的轉(zhuǎn)動速率為12~20r.p.m.,生長結(jié)束后將晶體提離液面，以10~30°C/h的速率降至室溫，得到尺寸大于
φ20 mm χ40 mm|的透明晶體。
[0036]我們測試了 5at% Yb3+:Ca3La2(BO3)4晶體的室溫偏振吸收光譜，如圖1所示，吸收峰最強(qiáng)處為978nm，計算得到半峰寬為llnm，非常適合采用LD泵浦進(jìn)行激光性能測試研究。采用972nm泵浦得到該晶體在900~1150nm之間的偏振熒光光譜，如圖2所示，發(fā)射波長位于1025nm,半峰寬為66nm,發(fā)射截面計算值為3.67*10_2°cm2,由于其展寬的吸收和突光峰，使得該晶體非常適合作為鎖模超快激光增益介質(zhì)。另外，測試該晶體的熒光衰減曲線，擬合得到Y(jié)b3+2F5/2能級熒光壽命為1.22ms。
[0037]為進(jìn)行下一步的超快激光性能測試研究，我們設(shè)計了試驗(yàn)裝置圖如圖3所示，采用Z型諧振腔，圖中Ml為輸入鏡，在1010~1060nm高反，在978nm高透，M2，M3分別為折疊腔鏡，半徑分別為1000和500mm，利用半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)作為飽和吸收體進(jìn)行鎖模，最終在Yb3+: Ca3La2 (BO3) 4晶體上獲得~1.0 μ m波段的超快激光輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種鐿激活的硼酸鑭鈣晶體，其特征在于:所述晶體分子式為:Ca3La2(1_x)Yb2x(BO3)4,其中0〈χ〈1，Yb3+取代晶體中的La3+。
2.權(quán)利要求1所述晶體的用途，用于半導(dǎo)體激光泵浦直接實(shí)現(xiàn)?Ι.Ομm波段超快激光輸出。
【文檔編號】H01S3/16GK104009390SQ201410264765
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】王燕, 涂朝陽, 游振宇, 李堅(jiān)富, 朱昭捷, 徐金龍 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所