專利名稱：摻鐿硅酸釔镥激光晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可調(diào)諧激光晶體，特別是一種摻鐿硅酸釔镥激光晶體及其制備方法，摻鐿硅酸釔镥激光晶體，化學(xué)式為(YbxLuyY1-x-y)2SiO5(0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8)，(簡(jiǎn)稱為Yb:LYSO)，并涉及該晶體的提拉法生長(zhǎng)方法。本發(fā)明生長(zhǎng)的Yb:LYSO晶體有較大尺寸、晶體光學(xué)質(zhì)量高、完整無開裂，及具有寬的發(fā)射譜帶，可用于寬帶可調(diào)諧超快激光技術(shù)領(lǐng)域中。
背景技術(shù)：
Yb3+激光材料在900-980nm范圍具有較強(qiáng)的吸收，能與高效的InGaAs激光二極管(波長(zhǎng)為900-1100nm)有效地耦合，加之它能級(jí)簡(jiǎn)單，抽運(yùn)波長(zhǎng)與振蕩波長(zhǎng)相近，量子效率高，這些優(yōu)點(diǎn)十分有利于在1000nm附近實(shí)現(xiàn)超快高功率激光輸出。Yb激光材料的發(fā)射譜帶越寬，愈容易實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧和高功率超快激光的輸出。因此，隨著高性能InGaAs激光二極管的發(fā)展和成本的降低，近年來，尋求具有寬發(fā)射譜的Yb摻雜激光增益介質(zhì)材料引起了人們的極大興趣。一般而言，Yb離子占據(jù)基質(zhì)中低對(duì)稱性的格位或多種格位，非常有利于Yb吸收和發(fā)射光譜的寬化。至今，已發(fā)現(xiàn)有較寬發(fā)射譜帶適宜于寬調(diào)諧超快激光輸出的Yb激光材料主要有Yb:Phosphate QX玻璃，Yb:Sr3Y(BO3)3(Yb:BOYS)，Yb:SrY4(SiO4)3(Yb:SYS)，Yb:Y2SiO5(Yb:YSO)和Yb:Lu2SiO5(Yb:LSO)等材料(參見2002年J.Opt.Soc.B.，Vol.19(5)，p.1083，2004年Opt.Lett.Vol.29，p.1879，和2005年Opt.Lett.Vol.30p.857)，這些材料的主要光譜等物理性能如下表1所示
表1一些寬發(fā)射可調(diào)諧超快Yb激光材料的性能

從表1中可知Yb:SYS晶體具有相對(duì)較寬的發(fā)射半高寬(約70nm)，較高的發(fā)射截面，十分有利于超快激光輸出(已有LD泵浦94fs/130mW輸出的報(bào)道，參見2002年的Opt.Lett.，第27卷，第197頁)，但是該晶體的熱導(dǎo)率相對(duì)較低(只有2.85W/mK//c)，這對(duì)高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)十分不利。而且，Yb:SYS晶體生長(zhǎng)溫度高、組分多，生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)單晶難度大，因此極大地限制了該晶體的應(yīng)用。和Yb:SYS晶體相比，表1中所列的Yb:CaF2，Yb:YSO和Yb:LSO晶體的熱導(dǎo)率相對(duì)較高(約4-5W/mK)，這些晶體的發(fā)射半高寬(約50nm)相對(duì)較窄，且發(fā)射截面也比較小(約為Yb:SYS的一半)，其中Yb:LSO晶體熔點(diǎn)較高，生長(zhǎng)工藝還不很成熟。另外，表1中所列的Yb:磷酸鹽玻璃雖然制備容易，但和Yb晶體相比，其熱導(dǎo)率低、發(fā)射截面小，很難在高功率超快激光方面有所發(fā)展。
綜上所述，在先技術(shù)中使用的寬調(diào)諧超快高功率Yb摻雜激光材料的綜合性能欠佳，即寬發(fā)射譜帶和高熱導(dǎo)率不能同時(shí)兼有，而且部分晶體的制備較難，還遠(yuǎn)不能滿足日益發(fā)展的LD泵浦的全固態(tài)寬調(diào)諧高功率超快激光應(yīng)用的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述在先技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種摻鐿硅酸釔镥激光晶體及其制備方法，該晶體應(yīng)兼有寬發(fā)射半高寬、較高熱導(dǎo)率和容易制備的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明技術(shù)解決方案如下一種摻鐿硅酸釔镥激光晶體，特征是其化學(xué)式為(YbxLuyY1-x-y)2SiO5，其中x和y的取值范圍是0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8。
本發(fā)明摻鐿硅酸釔镥激光晶體的制備方法，按下列工藝步驟進(jìn)行<1>按分子式(YbxLuyY1-x-y)2SiO5選定x和y的值，根據(jù)相應(yīng)各組分的摩爾量稱取一定量的干燥的純度高于99.995％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；<2>將所稱取的原料充分混合均勻，形成混合粉料；<3>將混合粉料，在1-5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，在1300-1400℃的溫度下，進(jìn)行恒溫?zé)Y(jié)24小時(shí)以上；
<4>將燒結(jié)好的料餅裝進(jìn)Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)爐加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；<5>采用a軸、b軸或c軸的Lu2SiO5晶體作籽晶，在Yb:LYSO混晶的熔點(diǎn)下，用提拉法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)氣氛為N2氣體或N2+2vol％的O2，晶體生長(zhǎng)速度為1.0-2.5mm/小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速約為15-40轉(zhuǎn)/分鐘，晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長(zhǎng)結(jié)束。
由于稀土正硅酸鹽介質(zhì)Y2SiO5(YSO)和Lu2SiO5(LSO)材料都屬于一致熔融化合物，從表1上看，熔點(diǎn)分別約為1980℃和2050℃，且同屬于低對(duì)稱性的單斜晶系C2/c空間群結(jié)構(gòu)，晶格中具有兩個(gè)稀土格位(6配位和7配位)。Yb:LYSO混晶是在Y2SiO5晶體中引入Lu離子，它不但具有Y2SiO5晶體良好的生長(zhǎng)特性，生長(zhǎng)溫度要比LSO晶體低，約在1950～2000℃左右，故易于生長(zhǎng)尺寸大、高光學(xué)質(zhì)量的晶體。
本發(fā)明所述的Yb:LYSO激光晶體也同樣具有C2/c單斜結(jié)構(gòu)，隨著Yb、Lu濃度的增加，(YbxLuyY1-x-y)2SiO5(0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8)混晶的晶格常數(shù)(a，b，c和β)也隨著變化，其中1.2368(9)nm≤a≤1.2470(5)nm，0.6647(2)nm≤b≤0.6714(6)nm，1.0276(0)nm≤c≤1.0398(1)nm，102.2°≤β≤102.9°。本發(fā)明所述的Yb:LYSO激光晶體具有相對(duì)高的熱導(dǎo)率(k)，熱導(dǎo)率的數(shù)值約為4.4-5W/mK之間。加之此Yb:LYSO混晶的單斜C2/c空間群結(jié)構(gòu)的無序度進(jìn)一步加大等優(yōu)點(diǎn)，使摻入其中的Yb離子的吸收和發(fā)射峰非均勻加寬，有利于實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)諧發(fā)射。
本發(fā)明所述的Yb:LYSO激光晶體材料的吸收和發(fā)射光譜特性分別見

圖1和圖21)吸收波長(zhǎng)范圍在900-980nm，其中包含四個(gè)主要吸收峰899nm，923nm，951nm和977nm，可有效地與900-980nm范圍的LD進(jìn)行耦合；
2)發(fā)射譜帶在1000nm-1120nm，其對(duì)應(yīng)的幾個(gè)發(fā)射峰分別為1004nm、1033nm、1056nm和1085nm，發(fā)射截面大；本發(fā)明所述的Yb:LYSO激光晶體具有1010nm-1100nm波長(zhǎng)輸出的激光調(diào)諧范圍，從熒光發(fā)射譜可以從理論上推算Yb:LYSO晶體可以得到12fs的激光輸出；因此Yb:LYSO混晶可應(yīng)用于高功率超快激光技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明所述的Yb:LYSO晶體在1033nm、1056nm和1085nm處具有較高的發(fā)射截面，約為0.3-0.5×10-20cm2，因此，本發(fā)明所述的Yb:LYSO混晶可以在上述三個(gè)激光波長(zhǎng)處產(chǎn)生激光振蕩。本發(fā)明所述的Yb:LYSO混晶特別適于對(duì)940nmLD泵浦，并實(shí)現(xiàn)1085nm激光輸出。該運(yùn)轉(zhuǎn)模式克服了由于通常Yb的泵浦波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)差小而造成難以鍍膜的困難，有利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)(1085nm)的高功率激光輸出。
本發(fā)明所述的Yb:LYSO混晶和在先技術(shù)中的寬發(fā)射超快Yb激光材料相比，具有1)較寬發(fā)射譜帶1010-1100nm；2)較高的熱導(dǎo)率，約為4.5-5W/mK，是Yb:SYS晶體的1.7倍多；3)晶體生長(zhǎng)容易，晶體尺寸大，物化性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
是目前綜合性能最好的一種寬調(diào)諧Yb激光材料，有望在可調(diào)諧高功率超快激光技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
圖例說明圖1是本發(fā)明所述的Yb:LYSO激光晶體的吸收光譜特征圖。
圖2是本發(fā)明所述的Yb:LYSO激光晶體的發(fā)射光譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明摻鐿硅酸釔镥激光晶體的化學(xué)式為(YbxLuyY1-x-y)2SiO5，其中x和y的取值范圍是0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8。
本發(fā)明摻鐿硅酸釔镥激光晶體的制備方法，包括下列工藝步驟<1>按分子式(YbxLuyY1-x-y)2SiO5選定x和y的值，根據(jù)相應(yīng)各組分的摩爾量稱取一定量的干燥的純度高于99.995％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；<2>將所稱取的原料充分混合均勻，形成混合粉料；<3>將混合粉料，在1-5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，在1300-1400℃的溫度下，進(jìn)行恒溫?zé)Y(jié)24小時(shí)以上；<4>將燒結(jié)好的料餅裝進(jìn)Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)爐加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；<5>采用a軸、b軸或c軸的Lu2SiO5晶體作籽晶，在Yb:LYSO混晶的熔點(diǎn)下，用提拉法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)氣氛為N2氣體或N2+2vol％的O2，晶體生長(zhǎng)速度為1.0-2.5mm/小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速約為15-40轉(zhuǎn)/分鐘，晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長(zhǎng)結(jié)束。
實(shí)施例1制備(Yb0.001Y0.9Lu0.099)2SiO5激光晶體按照上述工藝步驟<1>以摩爾比為0.001∶0.9∶0.099∶1的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；按上述工藝步驟<2>將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟<3>將混合均勻原料，在1-5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅，料餅直徑略小于坩堝容器直徑，在低于1400℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)30小時(shí)；按上述工藝步驟<4>將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟<5>采用a軸的Lu3SiO5(LSO)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長(zhǎng)，(Yb0.001Y0.9Lu0.099)2SiO5晶體的生長(zhǎng)溫度約為1980℃，生長(zhǎng)氣氛為N2氣體，晶體生長(zhǎng)速度為2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為25RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長(zhǎng)結(jié)束，晶體尺寸約為Ф60×80mm。
將本實(shí)施例(Yb0.001Y0.9Lu0.099)2SiO5激光晶體按激光的要求進(jìn)行切割加工和鍍膜。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明該(Yb0.001Y0.9Lu0.099)2SiO5激光晶體尺寸較大，光學(xué)質(zhì)量高，光譜性能如圖1和圖2所示，具有寬調(diào)諧(1010-1100nm)，可以應(yīng)用于LD泵浦的寬調(diào)諧超快激光。
實(shí)施例2制備(Yb0.5Y0.4Lu0.1)2SiO5激光晶體按照上述實(shí)施例1中的工藝步驟<1>以摩爾比為0.5∶0.4∶0.1∶1的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；重復(fù)上述實(shí)施例1中工藝步驟<2><3><4>；按上述實(shí)施例1中步驟<5>采用采用c軸LSO籽晶進(jìn)行提拉法生長(zhǎng)，(Yb0.5Y0.4Lu0.1)2SiO5混晶的生長(zhǎng)溫度約為2000℃，生長(zhǎng)氣氛為N2+2vol％的O2氣體，晶體生長(zhǎng)速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為40RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長(zhǎng)結(jié)束，最后獲得Ф50×80mm的Yb:LYSO激光晶體。按上述實(shí)施例1，對(duì)本實(shí)施例(Yb0.5Y0.4Lu0.1)2SiO5晶體進(jìn)行加工。最后獲得的(Yb0.5Y0.4Lu0.1)2SiO5激光晶體尺寸較大，光學(xué)質(zhì)量高，光譜性能與圖1和圖2相似，具有寬調(diào)諧(1010-1100nm)，可以應(yīng)用于LD泵浦的寬調(diào)諧超快激光技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵤├?制備(Yb0.05Y0.15Lu0.8)2SiO5激光晶體按照上述實(shí)施例2中的工藝步驟<1>以摩爾比為0.05∶0.15∶0.8∶1的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；重復(fù)上述實(shí)施例2中工藝步驟<2><3><4>；按上述實(shí)施例2中工藝步驟<5>采用b軸的LSO晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長(zhǎng)，(Yb0.05Y0.15Lu0.8)2SiO5晶體的生長(zhǎng)溫度約為2010℃，生長(zhǎng)氣氛為N2+2vol％的O2氣體，晶體生長(zhǎng)速度為1.5mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為30RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長(zhǎng)結(jié)束，晶體尺寸約為Φ50×80mm；將粉實(shí)施例的晶體進(jìn)行加工，獲得的(Yb0.05Y0.15Lu0.8)2SiO5激光晶體尺寸較大，光學(xué)質(zhì)量高，光譜性能與圖1和圖2相似，具有寬調(diào)諧(1010-1100nm)，可以應(yīng)用于LD泵浦的寬調(diào)諧超快激光技術(shù)領(lǐng)域。
總之，本發(fā)明晶體采用提拉法生長(zhǎng)，該晶體兼有寬發(fā)射半高寬、較高熱導(dǎo)率和容易制備的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明生長(zhǎng)的晶體有較大尺寸、晶體光學(xué)質(zhì)量高、完整無開裂，可用于寬帶可調(diào)諧超快激光技術(shù)領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種摻鐿硅酸釔镥激光晶體，特征是其化學(xué)式為(YbxLuyY1-x-y)2SiO5，其中x和y的取值范圍是0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8。
2.權(quán)利要求1所述的摻鐿硅酸釔镥激光晶體的制備方法，其特征在于按下列工藝步驟進(jìn)行<1>按分子式(YbxLuyY1-x-y)2SiO5選定x和y的值，根據(jù)相應(yīng)各組分的摩爾量稱取一定量的干燥的純度高于99.995％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；<2>將所稱取的原料充分混合均勻，形成混合粉料；<3>將混合粉料，在1-5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，在1300-1400℃的溫度下，進(jìn)行恒溫?zé)Y(jié)24小時(shí)以上；<4>將燒結(jié)好的料餅裝進(jìn)Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)爐加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；<5>采用a軸、b軸或c軸的Lu2SiO5晶體作籽晶，在Yb:LYSO混晶的熔點(diǎn)下，用提拉法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)氣氛為N2氣體或N2+2vol％的O2，晶體生長(zhǎng)速度為1.0-2.5mm/小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速約為15-40轉(zhuǎn)/分鐘，晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長(zhǎng)結(jié)束。
全文摘要
一種摻鐿硅酸釔镥激光晶體及其制備方法，該晶體的化學(xué)式為(Yb
文檔編號(hào)C30B15/00GK1737219SQ200510028599
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月9日
發(fā)明者嚴(yán)成鋒, 趙廣軍, 徐軍, 蘇良碧, 徐曉東, 張連翰, 龐輝勇, 宗艷花 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所