CN100368603C - 掺钕钨酸镧锂激光晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

掺钕钨酸镧锂激光晶体及其制备方法，涉及人工晶体领域。采用提拉法，在1065℃温度下，以10-35转/分钟的晶体转速，0.5-0.6毫米/小时的拉速生长。该晶体属四方晶系，I4(1)/a(C_4h ⁶)空间群，密度为3.152g/cm³，折射率2.0。该晶体在805nm处有一强的吸收峰，吸收截面1.88×10^-20cm²，半峰宽18nm，适合于采用激光二极管(LD)来泵浦，在波长1062nm有强的荧光发射峰，发射跃迁截面为21.7×10^-20cm²，易于产生波长为1062nm的激光输出，有望获得实际应用。

Description

掺钕钨酸镧锂激光晶体及其制备方法

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，尤其是涉及一种作为固态激光器中的工作物质的激光晶体材料。

技术背景

固体激光工作物质由基质材料和激活离子组成，其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。

目前国内外都在积极寻找各种物理、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。Nd³⁺离子由于具有较好的光谱性能，被广泛地用作激活离子；而钨酸盐由于具有较好的物理化学性能、易于生长出高光学质量的晶体，也成为激光基质材料的热门之选。在钨酸盐体系中，目前已发现了较多掺Nd³⁺离子的激光晶体材料，其中较著名的有：Nd³⁺:NaY(WO₄)₂、Nd³⁺:KY(WO₄)₂和Nd³⁺:KGd(WO₄)₂等，且都实现了激光输出，但由于在晶体中都存在着不同的相结构，只能采用助熔剂法来生长，其生长周期长，所生长的晶体质量不够理想。因此，有必要研制新的钨酸盐晶体材料。

发明内容

本发明的目的就在于，研制一种新的激光晶体，能够直接使用闪光灯和LD泵浦，具有较高转换效率、能发射1062nm波长激光，且较容易生长出高光学质量和较大尺寸的晶体材料。

本发明的Nd³⁺:LiLa(WO₄)₂晶体，属于四方晶系，空间群为I4(1)/a(C_4h ⁶)。其中激光激活离子钕离子是作为掺杂离子，取代镧离子的晶格位置，钕的掺杂浓度在0.5at％～15at％之间，荧光寿命(τ)为50～200μs，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1062nm波长的激光，可作为激光晶体。

由于钨酸镧锂为同成分熔化的化合物，且只存在一个相结构，因此可采用提拉法来生长，提拉法生长掺钕钨酸镧锂激光晶体，其主要生长条件如下：生长温度1065℃，晶体转速10-35转/分钟，拉速0.5-2.0毫米/小时，生长气氛为空气。化学反应式为：0.5Li₂CO₃+0.5La₂O₃+2WO₃＝LiLa(WO₄)₂+0.5CO₂

所用的原料纯度如下：

药品名	纯度
		Nd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	99.9-99.999％
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	99.9-99.999％
		Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>	99.9-99.99％
WO<sub>3</sub>	99.9-99.99％

将生长出的基质晶体LiLa(WO₄)₂，在四圆衍射仪上进行了衍射数据的收集，结构分析表明，该晶体属于四方晶系，空间群为I4(1)/a(C_4h ⁶)，晶胞参数为a＝b＝5.332，c＝11.523，V＝328.98³，Dc＝3.152g/cm³。

将生长出的掺4.3at.％Nd³⁺的Nd³⁺:LiLa(WO₄)₂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：Nd³⁺:LiLa(WO₄)₂晶体的主吸收峰在805nm，吸收跃迁截面1.88×10^-20cm²，半峰宽(FWHM)18nm，在805nm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1062nm处有最强的荧光发射峰，其发射跃迁截面σ_em为21.7×10^-20cm²，荧光寿命为141μs，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，Nd³⁺:LiLa(WO₄)₂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。

本发明制备的Nd³⁺:LiLa(WO₄)₂晶体可用提拉法非常容易地生长出质量优良的晶体，生长工艺稳定，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1062nm，该晶体可作为一种较好的激光晶体。

具体实施方式

提拉法生长掺4.3at.％Nd³⁺的Nd³⁺:LiLa(WO₄)₂激光晶体：

将按化学反应式配比称量的Li₂CO₃、La₂O₃、WO₃和Nd₂O₃(所用化学药品的纯度均为99.99％)倒入研钵中，研磨、混匀后，压片，放入马弗炉中，在780℃固相合成48小时；取出后，重新研磨压片，在900℃固相合成60小时后，即得到所需的Nd³⁺:LiLa(WO₄)₂生长原料。采用提拉法，在φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为1065℃，晶体转速10-25转/分钟，拉速1.0毫米/小时，生长气氛为空气。生长出了尺寸为φ22×24mm³的高质量的Nd³⁺:LiLa(WO₄)₂晶体。经电子探针分析表明晶体中Nd³⁺离子含量为4.3at％。

Claims (3)

1.一种掺钕钨酸镧锂激光晶体，其特征在于：该激光晶体中钨酸镧锂作为激光基质晶体，其分子式为LiLa(WO₄)₂，属于四方晶系，空间群为I4(1)/a(C_4h ⁶)，晶胞参数为a＝b＝5.332，c＝11.523，V＝328.98³，D_c＝3.152g/cm³；Nd³⁺离子作为激光激活离子，掺杂于晶体中，取代晶体中La³⁺离子的晶格位置，其掺杂浓度在0.5at.-15at.％之间。

2.一种权利要求1的激光晶体的制备方法，其特征在于：该晶体采用提拉法，在1065℃温度下，以10-35转/分钟的晶体转速，0.5-2.0毫米/小时的拉速生长。

3.一种权利要求1的激光晶体的用途，其特征在于：该晶体用于固体激光器中作为激光工作物质。