專利名稱：三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體及其制備方法。
背景技術(shù)：
三價稀土鐿離子(Yb3+)的電子構(gòu)型為4f13，僅有兩個電子態(tài)，即基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài) 2F5/2，兩者的能量間隔為lOOOOcnf1。在晶格配位場作用下，2F7/2和2F5/2能級發(fā)生分裂，在上 能級2F5/2最低的Stark能級和下能級2F7/2的子能級之間，將形成準(zhǔn)三能級的激光產(chǎn)生機(jī)制。 當(dāng)Yb3+離子摻雜于石榴石系列晶體中時，其吸收峰在900-1100納米區(qū)域，最強(qiáng)發(fā)射波長在 1030納米左右。隨著體積小、壽命長、效率高的激光二極管(LD)泵浦源的出現(xiàn)，Yb3+離子作為發(fā)光 中心的晶體材料已成為新一代高功率全固態(tài)激光材料。相比于三價釹離子(Nd3+)、鉺離子 (Er3+)等稀土離子，Yb3+離子具有能級結(jié)構(gòu)簡單、本征量子缺陷低、輻射量子效率高、能級壽 命長、吸收和發(fā)射光譜寬等特點(diǎn)，其晶體材料更適合應(yīng)用于激光二極管泵浦的激光器件。由于半導(dǎo)體泵浦源InGaAs 二極管的激光輸出功率升高、穩(wěn)定性增強(qiáng)和價格下降， 人們對高功率、小型化激光器的追求將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。因此，適應(yīng)InGaAs 二極管輸出波長的Yb3+ 離子摻雜激光晶體日益受到重視，特別是Yb3+離子摻雜激光晶體在核聚變、通信和軍事上 具有巨大應(yīng)用潛力。但是，利用InGaAs 二極管作激光泵浦源，Yb3+離子摻雜晶體的激光輸出系統(tǒng)是一 個準(zhǔn)三能級系統(tǒng)。準(zhǔn)三能級系統(tǒng)的一個最大缺陷就是基態(tài)能級和激光躍遷的終止能級屬于 同一個能級多重態(tài)，使得激光閾值比較高。本發(fā)明的三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石 激光晶體利用稀土離子間的能量傳遞機(jī)制，采用藍(lán)光激發(fā)，克服了 InGaAs 二極管作激光泵 浦源所導(dǎo)致的準(zhǔn)三能級缺陷，適用于GaN藍(lán)光二極管泵浦激光器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有稀土鐿離子單摻釔鋁石榴石晶體激光閾值高的問題，提 供一種藍(lán)光激發(fā)的三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體材料。本發(fā)明的另一個目的是提供上述三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體 的制備方法。本發(fā)明的三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體材料，具有如下化學(xué)組 成表示式dYmYbxCeyhAiPu，其中x的取值范圍為0.01彡x彡0. 95，y的取值范圍為 0. 001 ^y^ 0. 05。該晶體材料在藍(lán)光激發(fā)下，在1030納米左右有最強(qiáng)的近紅外熒光發(fā)出， 熒光壽命在0. 1-2.0毫秒之間。三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體的制備方法 是采用熔體直拉法，所用的裝置是中頻感應(yīng)加熱提拉式單晶爐。這種制備方法可以在高溫 下生長大尺寸三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體。本發(fā)明的三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體材料按以下步驟通過高溫熔體直拉法制備得到按化學(xué)式中原子個數(shù)比稱取反應(yīng)原料，原料為高純稀土氧化物和 氧化鋁粉體。經(jīng)過預(yù)燒、充分混合、壓料后，將原料放入中頻感應(yīng)爐中的銥坩堝，在高純氬氣 或高純氮?dú)庵屑訜嶂练垠w原料熔融。再經(jīng)過弓I晶、放肩、等徑、收尾、降溫等過程提拉生長得 到稀土鐿離子激活含镥釔鋁石榴石單晶。與現(xiàn)有的鐿離子單摻激活釔鋁石榴石激光晶體相比，本發(fā)明的三價稀土鈰和鐿離 子共摻釔鋁石榴石激光晶體可吸收來自藍(lán)光GaN激光二極管所發(fā)射的光子，利用稀土離子 間的能量傳遞，提供給Yb3+離子輸出1030納米左右的近紅外激光。


圖1為實(shí)施例1的三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體的激發(fā)和發(fā)射光 譜圖。圖2為實(shí)施例1的三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體的熒光衰減光譜 圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1稱取預(yù)燒后的高純氧化釔(Y203) 244. 6200g,氧化鈰(Ce02) 1. 0499g,氧化鐿 (Yb203)47. 6835g，氧化鋁(A1203) 205. 6910g，用混料機(jī)混合均勻后，將原料壓實(shí)，放到中頻 感應(yīng)單晶爐中的銥坩堝中，在高純氬氣氣氛中，加熱至原料熔融，再經(jīng)過引晶、放肩、等徑、 收尾、降溫等過程，生長得到三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體。實(shí)施例2稱取預(yù)燒后的高純氧化釔(Y203) 280. 8850g,氧化鈰(Ce02) 0. 22375g，氧化鐿 (Yb203) 4. 9654g，氧化鋁(A1203) 213. 7390g，用混料機(jī)混合均勻后，將原料壓實(shí)，放到中頻感 應(yīng)單晶爐中的銥坩堝中，在高純氬氣氣氛中，加熱至原料熔融，再經(jīng)過引晶、放肩、等徑、收 尾、降溫等過程，生長得到三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體。實(shí)施例3稱取預(yù)燒后的高純氧化釔(Y203) 208. 1290g,氧化鈰(Ce02) 0. 3960g,氧化鐿 (Yb203)92. 0567g,氧化鋁(A1203) 198. 5210g，用混料機(jī)混合均勻后，將原料壓實(shí)，放到中頻 感應(yīng)單晶爐中的銥坩堝中，在高純氬氣氣氛中，加熱至原料熔融，再經(jīng)過引晶、放肩、等徑、 收尾、降溫等過程，生長得到三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體。實(shí)施例4稱取預(yù)燒后的高純氧化釔(Y203) 176. 2450g,氧化鈰(Ce02) 0. 5680g,氧化鐿 (Yb203) 132. 371g，氧化鋁(A1203) 190. 2830g，用混料機(jī)混合均勻后，將原料壓實(shí)，放到中頻 感應(yīng)單晶爐中的銥坩堝中，在高純氬氣氣氛中，加熱至原料熔融，再經(jīng)過引晶、放肩、等徑、 收尾、降溫等過程，生長得到三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體。實(shí)施例5稱取預(yù)燒后的高純氧化釔(Y203) 145. 1960g,氧化鈰(Ce02) 0. 7401g,氧化鐿 (Yb203) 170. 0450g,氧化鋁(A1203) 183. 3320g，用混料機(jī)混合均勻后，將原料壓實(shí)，放到中頻 感應(yīng)單晶爐中的銥坩堝中，在高純氬氣氣氛中，加熱至原料熔融，再經(jīng)過引晶、放肩、等徑、收尾、降溫等過程，生長得到三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體。實(shí)施例6稱取預(yù)燒后的高純氧化釔(Y203) 105. 7240g,氧化鈰(Ce02) 8. 8639g，氧化鐿 (Yb203) 202. 7530g,氧化鋁(A1203) 174. 8700g，用混料機(jī)混合均勻后，將原料壓實(shí)，放到中頻 感應(yīng)單晶爐中的銥坩堝中，在高純氬氣氣氛中，加熱至原料熔融，再經(jīng)過引晶、放肩、等徑、 收尾、降溫等過程，生長得到三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體。沿著垂直于晶體生長的方向，將實(shí)施例1制備的晶體切割成厚度為1.0毫米的 單晶片，兩面拋光后，測定得到本發(fā)明三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體的激 發(fā)和發(fā)射光譜圖，如圖1所示，在監(jiān)測晶體在波長為1030納米的近紅外發(fā)射時，晶體在 400-500納米波長藍(lán)光范圍內(nèi)有一寬的激發(fā)峰，峰值在450納米左右；用450納米的藍(lán)光激 發(fā)晶體，晶體在1030納米的熒光壽命為1. 5毫秒。因此，本發(fā)明的三價稀土鈰和鐿離子共 摻釔鋁石榴石激光晶體適合于用來做藍(lán)光GaN激光二極管泵浦激光工作介質(zhì)。
權(quán)利要求
一種三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體材料，其化學(xué)組成表示式為(Y1 x yYbxCey)3Al5O12，其中x的取值范圍為0.01≤x≤0.95，y的取值范圍為0.001≤y≤0.05。
2.按權(quán)利要求1所述三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體材料的制備方法， 其特征在于包括如下步驟首先將原料按化學(xué)組成式準(zhǔn)確稱量，充分混合均勻，進(jìn)行壓料后 放入中頻感應(yīng)加熱提拉爐中，采用高溫熔體直拉法生長單晶材料。
3.按權(quán)利要求2所述的三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體材料的制備方 法，其特征在于所述的原料為高純稀土氧化物和氧化鋁。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體及其制備方法。三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體的化學(xué)組成表示式為(Y1-x-yYbxCey)3Al5O12，其中x的取值范圍為0.01≤x≤0.95，y的取值范圍為0.001≤y≤0.05。該晶體材料在藍(lán)光激發(fā)下，在1030納米左右有最強(qiáng)的近紅外熒光發(fā)出，熒光壽命在0.1-2.0毫秒之間。三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體的制備方法是采用熔體直拉法，所用的裝置是中頻感應(yīng)加熱提拉式單晶爐。這種制備方法可以在高溫下生長大尺寸三價稀土鈰和鐿離子共摻釔鋁石榴石激光晶體。
文檔編號C30B15/00GK101899710SQ20101025048
公開日2010年12月1日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者周建英, 梁宏斌, 蘇鏘, 鐘玖平 申請人:中山大學(xué)