CN101063229A - 掺钕铌酸钡锂激光晶体及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工晶体领域，特别是涉及一种激光晶体掺钕铌酸钡锂(Nd³⁺∶Ba₂LiNb₅O₁₅)及其制备方法和用途。采用提拉法(Czochralski方法)，在1330℃左右，以5～20转/分钟的晶体转速，0.5～2毫米/小时的拉速，生长出了高质量、较大尺寸的Nd³⁺∶Ba₂LiNb₅O₁₅晶体。该晶体属P4bm空间群，折射率2.33。该晶体是一种新型的激光晶体，可产生1.06和0.9μm左右波长的激光输出。用该晶体制成的固体激光器可用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域中。

Description

掺钕铌酸钡锂激光晶体及其制备方法和用途

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。

背景技术

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、大尺寸并适合于LD泵浦的优质激光晶体材料。钕离子是使用较为广泛的激活离子，其吸收带宽且与InGaAl LD泵浦源有效耦合，非常适合LD泵浦。

发明内容

本发明的目的就在于研制一种新的能够直接使用闪光灯和LD泵浦的，具有较高转换效率的激光晶体材料掺钕铌酸钡锂。

掺钕铌酸钡锂(Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅)晶体属于四方晶系，具有P4bm空间群结构。其中钕离子是作为掺杂离子，取代钡或锂离子的晶格位置，钕的掺杂浓度在0.05at％～6at％之间，荧光寿命(τ)为160～220μs，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1.06和0.9μm左右波长的激光，可作为激光晶体。

本发明的Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅晶体是采用提拉法生长出的，按化学反应式：4BaCO₃+Li₂CO₃+5Nb₂O₅＝2Ba₂LiNb₅O₁₅+5CO₂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)、Nb₂O₅(纯度99.99％，中国医药集团上海化学试剂公司)、BaCO₃(纯度99.95％，中国医药集团上海化学试剂公司)、Li₂CO₃(纯度99.99％，上海五四化学试剂厂)，生长是在铱金坩锅中、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1330℃左右，提升速度为0.5～2.0毫米/小时，晶体转速为5～20转/分钟，生长出了高质量的Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅晶体。

将生长出的Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅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，其属于四方晶系，空间群为P4bm，晶胞参数为a＝b＝12.44，c＝3.998，V＝614.6(3)³，D_c＝5.330g/cm³。

将生长出的Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅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⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅晶体的主吸收峰在801nm，其半峰宽为15nm，吸收跃迁截面为2.459×10^-20cm²，在801nm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1063nm处的发射跃迁截面σ_em为3.95×10^-20cm²，半峰宽(FWHM)为17nm，荧光寿命为217μs，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⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅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。

Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅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1.06和0.9μm左右，该晶体可作为一种较好的激光晶体，用它制成的固体激光器可用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域。

具体实施方式

实现本发明的实验优选方式如下：

实施例1：提拉法生长掺杂浓度为0.6at.％Nd³⁺的Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅激光晶体

将按配比准确称量好的BaCO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅、Nd₂O₃混合研磨均匀，压片后，放入φ40×40mm的铱金坩锅中，在马弗炉中于800℃固相反应24小时，再升温至1100℃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1330℃、晶体转速为10转/分钟，拉速为1毫米/小时的情况下，生长出了尺寸为20×28×20mm³的高质量的Nd³⁺含量为0.6at.％的Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅晶体。

实施例2：提拉法生长掺杂浓度为4.88at.％Nd³⁺的Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅激光晶体

将按配比准确称量好的BaCO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅、Nd₂O₃混合研磨均匀，压片后，放入φ40×40mm的铱金坩锅中，在马弗炉中于830℃固相反应24小时，再升温至1100℃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Ar气氛中，生长温度为1330℃、晶体转速为5转/分钟，拉速为0.8毫米/小时的情况下，生长出了尺寸为27×25×20mm³的高质量的Nd³⁺含量为4.88at.％的Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅晶体。

Claims (5)

1.一种掺钕铌酸钡锂激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Nd³⁺:Ba₂LiNb₅O₁₅，属于四方晶系，空间群为P4bm，晶胞参数为a＝b＝12.44，c＝3.998，V＝614.6(3)³，Dc＝5.330g/cm³，折射率2.33。

2.如权利要求1所述的掺钕铌酸钡锂激光晶体，其特征在于：在该晶体中，Nd³⁺离子作为掺杂离子，取代晶体中Ba²⁺或Li⁺离子的晶格位置，其掺杂浓度在0.05at～6at％。

3.如权利要求1所述的掺钕铌酸钡锂激光晶体，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(LD)作为泵浦源，激发产生1.06和0.9μm左右波长的激光输出。

4.一种权利要求1的掺钕铌酸钡锂激光晶体的制备方法，其特征在于：该晶体采用提拉法生长，以BaCO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅和Nd₂O₃为原料，按化学反应式：4BaCO₃+Li₂CO₃+5Nb₂O₅＝2Ba₂LiNb₅O₁₅+5CO₂的比例称样、混合、压片，而Nd₂O₃则按所需浓度加入；在铱金坩锅中、惰性气体如N₂、Ar气氛下提拉生长出晶体，晶体生长的参数为生长温度1330℃左右，提升速度为0.5～2.0毫米/小时，晶体转速为5～20转/分钟。

5.一种权利要求1的掺钕铌酸钡锂激光晶体的用途，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、军事等诸多领域中。