CN100368602C - 掺钕硼酸钇锶激光晶体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及人工晶体领域，特别是涉及一种激光晶体材料掺钕硼酸钇锶Nd:Sr3Y2(BO3)4及其制备方法。采用提拉法生长掺钕硼酸钇锶单晶，其生长温度为1313～1358℃，拉速为0.5～2mm/h，晶转15～30rmp，可生长出高质量、大尺寸的掺钕硼酸钇锶激光晶体。该晶体用于固体激光器中作为激光工作物质，使用闪光灯或激光二极管(LD)作为泵浦源，激发产生1060nm波长的激光输出。用该晶体制成的固体激光器用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域。
Description
技术领域
本发明涉及光电子功能材料技术领域中的人工晶体和晶体生长领域，尤其是涉及一种固态激光器中的工作物质的激光晶体材料。
背景技术
激光晶体是固体激光器的工作物质，它是指以晶体为基质，通过分立的发光中心吸收泵浦光能量并将其转化为激光输出的发光材料。激光晶体的各种物理和化学性质主要由基质材料决定，而其光谱特性和荧光寿命等则由激活离子的能级结构决定。自1960年，研制成功人造红宝石脉冲激光器以来，迄今为止，已发现了数百种激光晶体，但因各种原因，能真正得到实际应用的激光晶体只有十来种。
目前，应用最广泛的激光晶体是掺钕离子的钇铝石榴石(YAG)晶体，其具有较好的各种物理和化学性能，且易于生长出高光学质量、大尺寸的优质晶体。但它存在着吸收谱线窄，不适宜于用LD来进行泵浦的缺点，而LD泵浦将是今后激光泵浦源的发展方向。
积极寻找各种物理、化学性能和机械性能优异，且易于生长出高光学质量、大尺寸的优质激光晶体材料，而且该晶体要适合于LD泵浦，这是目前各国科学家正在进行的工作。钕离子由于具有较好的光谱性能，广泛地被用作激活离子；而硼酸盐由于具有较好的物理化学和机械性能，也成为激光基质材料的热门之选。
发明内容
本发明的目的就在于研制一种新的激光晶体掺钕硼酸钇锶Nd:Sr3Y2(BO3)4，它能够直接使用闪光灯和LD泵浦，是具有较高转换效率的激光晶体材料。Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体属于正交晶系，具有Pnma空间群结构。其中钕离子是作为掺杂离子，取代钇离子的晶格位置，钕的掺杂浓度在0.5at％～15at％之间，荧光寿命(τ)为71.3-45.2μs，其荧光寿命是钕离子浓度的函数，可根据不同的需要掺入不同浓度的钕离子。实验结果表明其可输出1060nm波长的激光，可作为激光晶体。
Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体是一种同成分熔化的化合物，可采用提拉法生长，按化学反应式：Y2O3+3SrCO3+4H3BO3＝Sr3Y2(BO3)4+6H2O+3CO2的比例进行称样、混合、压片，而Nd2O3则按所需浓度加入，所用原料为：Nd2O3(纯度99.95％，中科院长春应用化学研究所)、Y2O3(纯度99.99％，中科院长春应用化学研究所)、SrCO3(纯度99.95％，中国医药集团上海化学试剂公司)、H3BO3(纯度99.99％，北京化工厂)，生长采用铂坩锅、在惰性气体(如N2、Ar等)气氛下进行，晶体生长的参数为生长温度1313～1358℃左右，提拉速度为0.5～2.mm/h，晶体转速为15～30rmp，生长出了高质量的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体。
将生长出的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体，在四圆衍射仪上进行了衍射数据的收集，结构分析表明，其属于正交晶系，空间群为Pnma，晶胞参数为a＝8.70167，b＝15.96203，c＝7.39176，V＝1026.693，Z＝4，采用油浸法测得其折射率为1.74。
将生长出的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体，进行吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命等的分析测试，结果表明(以掺5at％Nd3+的Sr3Y2(BO3)4晶体为例)：Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体的主吸收峰在807nm，其半峰宽为15nm，吸收跃迁截面为6.36×10-20cm2，在807nm处较大的半峰宽非常适合于采用AsGaAl半导体激光来进行泵浦，有利于激光晶体对泵浦光的吸收，提高泵浦效率。其在1060nm处的发射跃迁截面σem为1.07×10-19cm2，半峰宽(FWHM)为30.2nm，荧光寿命为51.7μs，因为荧光寿命长的晶体能在上能级积累更多的粒子，增加了储能，有利于器件输出功率和输出能量的提高。因此，Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体能得到较大的输出，是一种高转换效率、低成本、高光学质量和有实际应用前景及使用价值的激光晶体。
Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体可用提拉法非常容易地生长出质量优良的晶体，生长速度快，晶体质地坚硬，具有良好的导热性能，有优良的光学特性，很容易用闪光灯泵浦和LD泵浦获得激光输出，激光输出波长为1060nm，该晶体可作为一种较好的激光晶体。用该晶体制成的固体激光器用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域。
本发明的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体是一种同成份熔化的化合物，可以采用提拉法生长，其生长周期短、可获得高质量大尺寸的晶体。我们在实验过程中找到合适的固相合成方法及较佳的生长条件，采用提拉法已生长出尺寸为Φ24.6mm×56mm的高光学质量的晶体。
具体实施方式
实现本发明的优选方式如下：
实施例1：提拉法生长掺杂浓度为2.0at.％Nd3+的Nd:Sr3Y2(BO3)4激光晶体。
将按配比准确称量好的SrCO3、Y2O3、H3BO3、Nd2O3混合研磨均匀，压片后，放入Φ60×40mm3的铂坩锅中，在马弗炉中于900℃固相反应12小时，再升温至1020℃反应10小时。将合成好的以上样品放入提拉炉中，采用提拉法，在N2气氛中，生长温度为1313℃、晶体转速为10rmp，拉速为1mm/h的情况下，生长出了尺寸为30×28×20mm3的高质量的Nd3+含量为2.0at.％的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体。
实施例2：提拉法生长掺杂浓度为5.0at.％Nd3+的Nd:Sr3Y2(BO3)4激光晶体。
将按配比准确称量好的SrCO3、Y2O3、H3BO3、Nd2O3混合研磨均匀，压片后，放入Φ60×40mm3的铂坩锅中，在马弗炉中于950℃固相反应10小时，再升温至1050℃反应8小时。将合成好的以上样品放入提拉炉中，采用提拉法，在Ar气氛中，生长温度为1330℃、晶体转速为5rmp，拉速为0.7mm/h的情况下，生长出了尺寸为27×25×23mm3的高质量的Nd3+含量为5.0at.％的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶体。
Claims (5)
1.一种掺钕硼酸钇锶激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Nd:Sr3Y2(BO3)4，属于正交晶系，空间群为Pnma，晶胞参数为a＝8.70167，b＝15.96203，c＝7.39176，V＝1026.693，Z＝4，折射率为1.74。
2.如权利要求1所述的掺钕硼酸钇锶激光晶体，其特征在于：在该晶体中，Nd3+离子作为掺杂离子，取代晶体中Y3+离子的晶格位置，其掺杂浓度为0.5at～15at％。
3.一种权利要求1的掺钕硼酸钇锶激光晶体的制备方法，其特征在于：该晶体采用提拉法生长，晶体的生长温度为1313～1358℃，提拉速度为0.5～2mm/h，晶体转速为15～30rmp。
4.一种权利要求1的掺钕硼酸钇锶激光晶体的用途，其特征在于：该晶体用于固体激光器中作为激光工作物质，使用闪光灯或激光二极管作为泵浦源，激发产生1060nm波长的激光输出。
5.一种权利要求1的掺钕硼酸钇锶激光晶体的用途，其特征在于：用该晶体制成的固体激光器用于光谱学、生物医学、军事领域。
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| 新型激光晶体α－Nd:Ba3Y(BO3)3光谱性能研究. 潘尚可等.中国稀土学报，第20卷第6期. 2002 * |
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