專利名稱：摻鐿鉬酸釓鋇鉀激光晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子功能材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種作為具有寬吸收帶的，適合InGaAs 二極管激光器泵浦的固態(tài)激光器工作物質(zhì)的激光晶體材料。
背景技術(shù)：
自1960年美國的梅曼(T. H. Maiman)在實驗室中用人造紅寶石晶體發(fā)明了世界上第一臺激光器以來，全固態(tài)激光器得到了飛速的發(fā)展。而1961年首次在CaF2 = Sm3+晶體中實現(xiàn)的激光輸出揭開了大力研究三價稀土離子作為受激發(fā)射的激活離子固態(tài)激光晶體 的序幕。到二十世紀(jì)80年代中期，隨著半導(dǎo)體二極管的迅猛發(fā)展，利用其優(yōu)異性能研制的二極管激光器(LD)作為新型泵浦源來替代傳統(tǒng)的閃光燈泵浦源，被廣泛的引入到激光器中，大大提高了激光器的輸出效率，促進了激光技術(shù)的飛速發(fā)展。LD泵浦激光器是指利用激光二極管作為泵浦源來激勵激光晶體，產(chǎn)生激光振蕩。這種新型泵浦源的優(yōu)點在于[I] LD具有高得多的光譜和空間亮度、高的光電轉(zhuǎn)換效率、長的壽命和輸出輻射在時間波形上有更大的靈活性。[2]目前LD的發(fā)光波長己經(jīng)從紫色延伸到中紅外，作為泵浦源的AlGaAs，AlGaIn和InGaAs激光二極管的發(fā)射峰分別處于797 810 nm, 670^690 nm和900 1100 nm，這些范圍覆蓋了 Nd3+等多種三價稀土離子的主要吸收帶，吸收效率較高，避免了過多的熱損耗。[3]這種泵浦源對激光晶體的尺寸要求相對于閃光燈泵浦源要小的多，放寬了晶體生長難度的要求，相對更容易獲得可以用于研制激光器的介質(zhì)晶體。而且，小尺寸的晶體介質(zhì)可以減少泵浦時的高能量存儲和隨之而來的激光晶體內(nèi)在的熱能，從而減少了激光器的熱負(fù)荷?；谝陨纤鲫P(guān)于LD泵浦源的優(yōu)點，其已經(jīng)成為當(dāng)今激光器研制中最常用最主要的泵浦源。為了充分利用和發(fā)揮LD泵浦源的優(yōu)勢，就需要獲得與其相匹配的優(yōu)質(zhì)激光晶體。主要要求在于[I]激光晶體要有較寬的吸收帶。這是由于LD的半峰寬為疒3 nm，波長隨溫度變化率為O. 2^0. 3 nm/°C，所以較寬的吸收帶不僅有利于激光晶體對泵浦光的吸收，而且降低了對器件的溫度控制的要求。[2]長的熒光壽命(τ )。熒光壽命長的晶體能在上能級積累起更多的粒子，增加了儲能能力，有利于器件輸出功率或能量的提高。[3]大的發(fā)射躍遷截面(σ)。由于脈沖和連續(xù)激光閾值分別與ο及ο · τ成反比。故而大的σ更有利于實現(xiàn)激光振蕩。目前，在激光晶體領(lǐng)域，摻鐿離子的激光晶體是研究得最為廣泛的激光晶體之一。鐿離子有諸多其他激活離子不具備的優(yōu)點。例如，離子能級簡單，上下兩個能級在基質(zhì)的晶場作用下可能進行斯塔克分裂形成準(zhǔn)三能級系統(tǒng)，為實現(xiàn)激光輸出提供了可能性。簡單的能級也杜絕了能級間復(fù)雜的能量傳遞，有利于激光性能的優(yōu)化。而且，這種簡單的能級特性也使得此種離子沒有濃度猝滅現(xiàn)象發(fā)生。分裂的斯塔克能級能夠使得摻鐿的激光晶體呈現(xiàn)出不同程度的寬帶吸收和發(fā)射。該離子在980nm處寬的吸收帶有利于用InGaAs激光器泵浦。而其寬帶發(fā)射是研制超短脈沖激光器的先決條件，而且峰寬越大越有利于獲得超短脈沖。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)超短脈沖輸出的摻鐿的玻璃及晶體材料還不太多，而且脈寬也較大。盡管摻鐿的玻璃材料實現(xiàn)的脈寬比摻鐿的晶體有更短的脈沖輸出，但是玻璃材料的的能量利用率很低，整體性能也不夠理想。所以尋找更多晶體作為激活離子鐿離子的基質(zhì)材料以實現(xiàn)更短脈沖輸出，同時提高效率是當(dāng)下激光晶體領(lǐng)域的一個重要方向。鑰酸釓鋇鉀晶體，其結(jié)構(gòu)中的鉀離子和鋇離子以等幾率占據(jù)同一個位置，造成了晶體結(jié)構(gòu)一定程度的無序性，這種無序性使得替代釓離子的鐿離子周圍的晶場產(chǎn)生大的畸變從而導(dǎo)致其能級的進一步分裂，吸收和發(fā)射譜線獲得進一步的加寬。因此，摻鐿鑰酸釓鋇鉀激光晶體可以成為新的超短脈沖激光晶體。

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，其具有寬的吸收帶，較大吸收發(fā)射截面，適合于采用LD泵浦，具有較好的各種綜合性能，能夠?qū)崿F(xiàn)較高質(zhì)量的超短激光脈沖輸出。 鑰酸釓鋇鉀[KBaGd(MoO4)3]屬于單斜晶系，具有C2/m空間群結(jié)構(gòu)，是一種很好的激光基質(zhì)材料。鐿離子作為激光激活離子可摻入晶格中，取代釓離子的晶格位置，其摻雜濃度在lat9T5at%之間。其熒光壽命與鐿離子濃度有直接關(guān)系，可根據(jù)不同的需要摻入不同濃度的釓離子。實驗結(jié)果表明其在976nm附近的吸收半峰寬可達到60nm以上，大于大多數(shù)鎢鑰酸晶體，而在發(fā)射波長IOlOnm左右處的發(fā)射截面超過3 X l(T2°cm2，也大于多數(shù)摻鐿鎢鑰酸鹽激光晶體。本發(fā)明的技術(shù)方案如下具體的化學(xué)反應(yīng)式K2C03+2BaC03+xYb203+ (1-x) Gd203=2KBaGd(1_x) Ybx (MoO4) 3+3C02K2C03+2Mo03=Na2Mo207+C02所用的原料純度及廠家
藥品名ψΓ^.[T^
GdA99. 99%中國醫(yī)藥集團上?；瘜W(xué)試劑公司
YbA99. 99%中國醫(yī)藥集團上?；瘜W(xué)試劑公司
99. 95%中國醫(yī)藥集團上海化學(xué)試劑公司
BaCO399. 95%中國醫(yī)藥集團上?；瘜W(xué)試劑公司
99. 99%中國醫(yī)藥集團上?；瘜W(xué)試劑公司在實驗的基礎(chǔ)上，我們找到了助熔劑方法生長摻鐿鑰酸釓鋇鉀[Yb3+IKBaGd(MoO4)3]晶體的較理想的助熔劑=K2Mo2O7及少量的添加劑KF，并探索出最佳的生長條件，生長出了較高質(zhì)量的Yb3+: KBaGd(MoO4)3晶體(見實施例I)。助熔劑方法生長摻鐿鑰酸釓鋇鉀，其主要生長條件如下所用助熔劑為K2Mo2O7，助熔劑的濃度在75 85at%2間，另外添加少量的KF作為添加劑，用量在lat-5at%，生長溫度在915 930°C之間，降溫速率為O. 5^1. 50C /天，晶體轉(zhuǎn)速為5 30rpm。將生長出的Yb3+: KBaGd (MoO4) 3晶體，在四圓衍射儀上進行了衍射數(shù)據(jù)的收集，結(jié)構(gòu)分析表明，其屬于單斜晶系，C2/m空間群，具體晶胞參數(shù)a=17. 401 (11) A,b=12. 226(8) A, c= 5.324(4) A, β = 106. 19(1)°, V= 1087. 73(373) A3, Z=4, D =4. 967 g. cm—3。對生長出的Yb3+ = KBaGd(MoO4)3晶體，進行吸收光譜、常溫和低溫?zé)晒夤庾V及熒光壽命等的分析測試。從該晶體的室溫下的吸收光譜，可見在90(Tl050nm之間呈現(xiàn)寬帶吸收，有三個明顯的尖峰，分別對應(yīng)于上能級的能級分裂。對于4. lat%的Yb3+ = KBaGd (MoO4) 3晶體，976nm處的吸收截面為I. 69X 10_2°cm2，吸收半峰寬為60nm。其室溫下的熒光光譜在IOlOnm附近呈現(xiàn)出很強的熒光發(fā)射，其發(fā)射截面為3. 17 X 10_2°cm2，熒光壽命為524 μ S。
本發(fā)明的摻鐿鑰酸釓鋇鉀[Yb3+: KBaGd(MoO4)3]晶體，能夠用助熔劑法較快地生長出質(zhì)量優(yōu)良的晶體，生長工藝簡便，原料易得，機械性能良好，且具有優(yōu)良的光學(xué)特性，能夠直接使用閃光燈和LD泵浦等諸多優(yōu)點，該晶體可作為一種較好的激光晶體。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。實施例I :以K2Mo2O7為助熔劑生長摻雜濃度為15at. % Yb3+的Yb3+: KBaGd (MoO4) 3激光晶體。采用助熔劑法，將按配比稱量的原料充分研磨均勻后放入Φ60Χ50πιπι鉬坩鍋中，原料與助溶劑的摩爾比為=KBaGd (MoO4)3: K2Mo2O7=I: 4 (摩爾比)，摻入15at%的Yb2O3,并加入約2at%的KF作為添加劑，用以改善晶體生長的環(huán)境，降低粘度。混合后的原料在熔鹽爐中升溫至飽和點溫度以上約五十度，恒溫一天。晶體生長溫度為915 — 930°C之間，以1°C /天的降溫速率，10轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，生長出了尺寸為50 X 40 X 9mm3的較好質(zhì)量的Yb3+:KBaGd(MoO4)3晶體。經(jīng)ICP (等離子發(fā)射光譜)分析表明晶體中Yb3+離子含量為4. I at%。
權(quán)利要求
1.一種摻鐿鑰酸釓鋇鉀激光晶體，其特征在于該晶體的分子式為Yb3+:KBaGd(MoO4)3,屬于單斜晶系，具有C2/m空間群結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)為a=17.401 (11) A, b=12. 226(8) A, c=5.324(4) A, β = 106. 19(1)°, V= 1087. 73(373) A3, Z=4, D = 4.967 g. cnT3。
2.如權(quán)利要求I所述的摻鐿鑰酸釓鋇鉀，其特征在于作為摻雜離子的Yb3+離子其價態(tài)為+3價，取代釓離子的晶格位置，其摻雜濃度在lat9Tl5at%之間。
3.—種權(quán)利要求I所述的摻鐿鑰酸釓鋇鉀激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用助熔劑法生長，所用助熔劑為K2Mo2O7,濃度在75at 85at%之間，生長溫度區(qū)間在915 930°C之間，降溫速率為O. 5 I. 5°C /天，晶體轉(zhuǎn)速為5 30rpm。
全文摘要
本發(fā)明提供摻鐿鉬酸釓鋇鉀激光晶體及其制備方法。該晶體屬于單斜晶系，空間群為C2/m，晶胞參數(shù)為a=17.401 (11) , b=12.226(8) , c=5.324(4) , β= 106.19(1)o, V=1087.73(373) 3, Z=4, D=4.967 g.cm-3。該晶體可采用助熔劑法生長。該晶體呈現(xiàn)出較寬的吸收和發(fā)射譜帶。其吸收帶在976nm處的吸收截面為1.69×10-20cm2，吸收半峰寬為60nm。在約1010nm處的發(fā)射截面超過3×10-20cm2。該晶體可成為一種新的超短脈沖激光晶體，并獲得實際應(yīng)用。
文檔編號C30B9/12GK102877132SQ20121040778
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者王國富, 余意, 林州斌, 張莉珍, 黃溢聲 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所