CN101092747A - 掺铥钬硅酸镥钇激光晶体及其制备方法 - Google Patents
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一种掺铥钬硅酸镥钇激光晶体及其制备方法，掺铥钬硅酸镥钇激光晶体的化学式为：Tm2xHo2yLu2－2(x+y+z)Y2zSiO5，简写为Tm/Ho:LYSO，其中x、y、z的取值范围：0≤x≤0.06，0≤y≤0.02，0≤z≤0.5，具体包括：单掺Tm的LSO和LYSO晶体；单掺Ho的LSO和LYSO晶体；以及双掺杂Tm和Ho的LSO和LYSO晶体。采用提拉法铱坩埚硅酸镥籽品制备。经实验表明，该晶体是一种热力学性能良好，可实现低阈值高效率宽调谐的2μm波段激光晶体材料。
Description
技术领域
本发明涉及激光材料，特别是一种掺铥钬(包括掺铥，掺钬及铥钬共掺)硅酸镥钇激光晶体及其制备方法。
背景技术
激光二极管(简称LD)泵浦掺Tm3+/Ho3+(包括单掺Tm3+、Ho3+以及双掺杂Tm3+和Ho3+)固态激光器具有结构紧凑、光束质量好、能满足雷达发射源线宽和脉宽的傅立叶变化极限要求等特点，是实现高效2μm波段连续以及调Q脉冲激光输出最有效的途径之一。掺Tm3+/Ho3+固态激光器主要包括以下三种：
1)掺Tm3+固体激光器，是2μm波段最重要的固体激光器。Tm3+离子790nm附近吸收与商用激光二极管匹配良好，2μm波段激光输出对应3F4-3H6能级之间的跃迁，具有荧光寿命长、由于Tm3+离子对的交叉驰豫，Tm3+离子的量子效率接近200％等特点，可实现连续波高功率激光输出。已实用化的有Tm:YAG，Tm:LuAG，Tm:YAP，Tm:YLF/LuLF等，其中Tm:YAG在2.01μm的功率最高达120W(参见2000年OpticsLetters 25卷21期1591页)。但目前掺Tm3+固体激光器普遍存在比较严重的热效应，激光性能受温度影响大，大能量激光输出需要良好的冷却条件等缺点。
2)掺Ho3+固体激光器，其2μm波段激光输出对应Ho3+的5I7-5I8 Stark能级之间的跃迁，具有受激发射截面大(是Tm3+的5倍多)、激光上能级寿命长(有利于储能)、输出波长大于2um(更有利于中远红外非线性频率转换应用)等特点，主要用于高峰值功率、高频脉冲激光输出。但掺Ho3+激光晶体没有合适的LD泵浦源，常利用1.9μmTm3+激光器谐振泵浦实现激光输出。
3)共掺Tm3+和Ho3+固体激光器，由于Ho3+的5I7能级与Tm3+的3F4能级相匹配，两者之间容易实现有效的能量传递，利用Tm3+敏化Ho3+可实现大于2μm焦耳级大能量脉冲激光输出，但Tm3+与Ho3+之间能量相互传递的同时易产生上转换发光，后向能量转移等过程，影响激光上能级粒子数聚集，降低激光效率。如应用于全球测风系统的Tm，Ho:LuLiF4激光器最高单脉冲能量达1J，而其最高斜率效率只有16.5％(参见2006年Optics Letters 31卷4期462页)。因此寻找合适的激光基质提高Tm3+与Ho3+之间能量传递效率来提高激光输出效率，是发展Tm3+和Ho3+共掺固体激光器的关键。
综上，目前已有掺Tm3+/Ho3+激光晶体存在激光阈值偏高，斜效率偏低(和Tm3+理论斜效率80％相差较远)等缺点，仍然不能满足人眼安全相干雷达和非线性频率转换等应用对低阈值、高效率、全固态中红外固体激光器的需要。特别是全球‘风响’系统的建立过程中，具有低泵浦阈值、高激光输出效率、和优良热力学性能的掺Tm3+/Ho3+激光晶体仍是人们孜孜不倦的追求目标。
发明内容
本发明的目的在于突破现有激光基质晶体的局限，提供一种掺铥钬硅酸镥钇激光晶体及其制备方法。该晶体应具有热力学性能良好，可实现低阈值高效率宽调谐的性能优良的2μm波段激光晶体材料。
本发明的技术解决方案如下：
一种掺铥钬硅酸镥钇激光晶体的化学式为：Tm2xHo2yLu2-2(x+y+z)Y2zSiO5(0≤x≤0.06，0≤y≤0.02，0≤z≤0.5)，简写为Tm/Ho:LYSO，具体包括：单掺Tm的LSO和LYSO晶体；单掺Ho的LSO和LYSO晶体；以及双掺杂Tm和Ho的LSO和LYSO晶体。
Lu2SiO5(LSO)与Y2SiO5(YSO)均属于低对称单斜晶系(空间群C2/c，C6 2h)，其中Lu3+/Y3+存在两种不等效而比例相同的、配位数分别为7和6的低对称格位(对称性均为C1)，晶格无序度高，具有较强晶体场。若生长过程中将Y2O3以一定比例代替Lu2O3，则获得与LSO/YSO结构相同的混晶Lu2-2zY2zSiO5(LYSO)，与LSO相比LYSO熔点降低，更容易生长大尺寸高质量单晶，并且Y3+与Lu3+的共同存在使品格无序度增加。掺杂离子(Tm3+/Ho3+)通过取代Lu3+/Y3+进入晶体格位，在强晶场作用下，基态Stark能级劈裂ΔE必将大幅增加(Tm:LSO晶体的基态Stark能级劈裂ΔE≈1400cm-1)，激光下能级的玻尔兹曼热居分布将大幅减少，为准三能级激光的产生提供了良好的晶场环境，更有利于Tm3+/Ho3+2μm低阈值高效率激光的实现。此外，LSO晶体具有较高的热导率(约为5.3W/cm/K)，由于Y/Tm/Ho原子的原子量和Lu原子相近，Y3+/Tm3+/Ho3+的掺入对LSO基质的热导率影响较小，因而Tm/Ho:LYSO将具有良好的热学性能。
以下以Tm:LSO为例对Tm/Ho:LYSO光谱性质进行说明。图1为室温下4at％Tm:LSO吸收和发射光谱。Tm:LSO在790nm处吸收峰半宽达13nm，可与790nm商用二极管有效耦合，在804nm处Tm:LSO吸收截面也达1.59×10-21cm2，可采用更为常见的808nm二极管泵浦，提高量子效率。从发射谱上看，Tm:LSO 2μm处发射截面峰值达5.5×10-21cm2，发射峰半高宽254nm，非常有利于实现宽调谐2μm激光的输出。这一点可从Tm:LSO增益曲线上更好的得到说明，如图2所示，Tm:LSO增益曲线呈现平坦宽峰，当粒子数反转率β＝0.5时，增益截面从1730nm到2150nm区域呈现正值，即在此范围内均可能产生激光输出，满足实现宽调谐激光的需要。而Tm:LSO最长发射峰达2058nm，该处发射截面达1.7×10-21cm2，有望在单掺Tm3+激光晶体中输出大于2μm高能量调Q激光研究方面实现突破。此外，室温下测得4at％Tm:LSO 2μm激光上能级寿命为1.65ms，与报道的其他掺Tm3+激光基质处于同一数量级，可有效储能，实现激光输出。
Tm:LSO的宽发射高增益特性，说明强晶场材料LSO是一种优良的2μm激光基质。由于LYSO与LSO具有相同结构，Tm3+/Ho3+掺杂LYSO具有如Tm3+/Ho3+掺杂LSO相似的光谱性质。考虑到Tm/Ho:LYSO本身易生长，良好的热力学性能等特点，Tm/Ho:LYSO在2μm激光晶体材料的发展方面将具有很大潜力。
本发明所述的Tm/Ho:LYSO激光晶体：Tm2xHo2yLu2-2(x+y+z)Y2zSiO5(0≤x≤0.06，0≤y≤0.02，0≤z≤0.5)的制备方法按下列工艺步骤进行：
<1>按Tm/Ho:LYSO的分子式Tm2xHo2yLu2-2(x+y+z)Y2zSiO5(0≤x≤0.06，0≤y≤0.02，0≤z≤0.5)中对应各组分的摩尔量称取一定量的干燥高纯度(大于99.995％)的Tm2O3，Ho2O3，Lu2O3，Y2O3和SiO2原料，原料组分的具体摩尔配比如下所示：Tm2O3∶Ho2O3∶Lu2O3∶Y2O3∶SiO2＝x∶y∶(1-(x+y+z))∶z∶1(其中0≤x≤0.06，0≤y≤0.02，0≤z≤0.5)；
<2>将上述称取各组分原料充分混合成均匀的混合粉料；
<3>将混合均匀原料，在1-5Gpa的压力下将混合的粉料压成圆柱状的料饼(料饼直径略小于坩埚容器直径)，在高于1100℃的温度下进行烧结30小时；
<4>将烧好的料块装进炉膛中的Ir金坩埚内，采用中频感应加热Ir坩埚内的原料使其完全熔化；
<5>采用硅酸镥(LSO)晶体作籽晶进行提拉法生长，Tm/Ho:LYSO晶体的生长温度为2000-2100℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1-3mm/hr，晶体转速约为15-30RPM。晶体经过下种、缩颈、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束；
<6>从提拉炉内取出的Tm/Ho:LYSO激光晶体，在空气气氛中进行退火处理，退火温度为1000-1300℃，保温时间20-30小时，升降温速度为30-50℃/hr。
退火之后的Tm/Ho:LYSO激光晶体可以按激光的要求进行切割加工和镀膜。
本发明上述工艺步骤<5>中所述硅酸镥LSO籽晶为b轴晶体，也可采用a、c或者其它结晶方向的硅酸镥晶体进行结晶生长。
和在先技术相比，并经实验表明，本发明Tm/Ho:LYSO激光晶体，具有较强的晶场强度、吸收和发射光谱宽、晶体热力学性能好、容易生长等优点，可实现2微米波段低阈值、高效率的激光输出。该激光材料可广泛应用于激光二极管泵浦的中红外固体激光器领域中，在人眼安全相干探测与非线性频率转换方面具有广阔的应用前景。
图例说明
图1是本发明所述的4at％Tm:LSO激光晶体的吸收和发射光谱。
图2是本发明所述的4at％Tm:LSO激光晶体的宽发射增益曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：制备Tm0.08Lu1.92SiO5激光晶体
按照上述工艺步骤<1>按本实施例Tm0.08Lu1.92SiO5分子式分别称取纯度为99.999％的干燥的0.04mol Tm2O3，0.96mol Lu2O3，1mol SiO2原料，共1200g；按上述工艺步骤<2>将上述称取的组分充分混合成均匀的粉料；按上述工艺步骤<3>将混合均匀原料，在1-5Gpa的压力下将混合的粉料压成圆柱状的料饼(料饼直径略小于坩埚容器直径)，在高于1100℃的温度下进行烧结30小时；按上述工艺步骤<4>将烧好的料块装进炉膛中的Ir金坩埚内，采用中频感应加热Ir坩埚内的原料使其完全熔化；按工艺步骤<5>采用b轴的LSO晶体籽晶进行提拉法生长，Tm:LSO晶体的生长温度为2100℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为3mm/hr，晶体转速约为15RPM。晶体经过下种、缩颈、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，晶体尺寸约为Φ35×80mm；按上述工艺步骤<6>从提拉炉内取出的Tm:LSO激光晶体需要在空气气氛中进行退火处理，退火温度1000℃，保温时间30小时，升降温速度为30℃/hr。
将退火后的Tm:LSO激光晶体按激光的要求进行切割加工和镀膜，进行实验测试，其结果与图1和图2相同，该Tm0.08Lu1.92SiO5激光晶体具有宽调谐(半高宽254nm)高发射截面特征，可以应用于激光二极管(简称LD)泵浦的宽调谐2μm激光技术领域中。
实施例2：制备Ho0.02Lu1.98SiO5激光晶体
按照上述实施例1中工艺步骤<1>按分子式Ho0.02Lu1.98SiO5分别称取纯度为99.999％的干燥的0.01molHo2O3，0.99mol Lu2O3和lmol SiO2原料共1200g；重复上述实施例1中工艺步骤<2><3><4>；按上述实施例1中工艺步骤<5>采用b轴的LSO晶体籽晶进行提拉法生长，Ho:LSO晶体的生长温度为2100℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为2mm/hr，晶体转速约为20RPM。晶体经过下种、缩颈、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，晶体尺寸约为Φ35×80mm；重复上述实施例1中步骤<6><7>，退火温度1000℃，保温时间30小时，升降温速度为30℃/hr；预计获得的Ho:LSO激光晶体具有与Tm:LSO相类似低阈值宽带高增益特性，可以应用于2μm宽调谐以及调Q激光技术领域中。
实施例3：制备Tm0.12Ho0.04Lu1.84SiO5激光晶体
按照上述实施例1中工艺步骤<1>按分子式Tm0.12Ho0.04Lu1.84SiO5分别称取纯度为99.999％的干燥的0.06molTm2O3，0.02molHo2O3，0.92mol Lu2O3和1mol SiO2原料共1200g；重复上述实施例1中工艺步骤，采用a轴的LSO晶体籽晶进，生长温度为2100℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1mm/hr，晶体转速约为30RPM，退火温度1300℃，保温时间20小时，升降温速度为50℃/hr。
实施例4：制备Tm0.08Lu0.92Y1SiO5激光晶体
按照上述实施例1中工艺步骤<1>按分子式Tm0.08Lu0.92Y1SiO5分别称取纯度为99.999％的干燥的0.04molTm2O3，0.46mol Lu2O3，0.5molY2O3和1mol SiO2原料共1000g；重复上述实施例1中工艺步骤，采用b轴的LSO晶体籽晶进行提拉法生长，生长温度为2000℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.5mm/hr，晶体转速约为20RPM，退火温度1000℃，保温时间30小时，升降温速度为30℃/hr。
实施例5：制备Ho0.04Lu1.16Y0.8SiO5激光晶体
按照上述实施例1中工艺步骤<1>按分子式Ho0.04Lu1.16Y0.8SiO5分别称取纯度为99.999％的干燥的0.02molHo2O3，0.58mol Lu2O3，0.4molY2O3和1mol SiO2原料共1000g；重复上述实施例1中工艺步骤，采用c轴的LSO晶体籽晶进行提拉法生长，生长温度约为2000℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.5mm/hr，晶体转速约为20RPM，退火温度1200℃，保温时间20小时，升降温速度为50℃/hr。
Claims (3)
1、一种掺铥钬硅酸镥钇激光晶体，特征在于其化学式为：
Tm2xHo2yLu2-2(x+y+z)Y2zSiO5，简写为Tm/Ho:LYSO，其中x、y、z的取值范围：0≤x≤0.06，0≤y≤0.02，0≤z≤0.5，具体包括：单掺Tm的LSO和LYSO晶体；单掺Ho的LSO和LYSO晶体；以及双掺杂Tm和Ho的LSO和LYSO晶体。
2、权利要求1所述的掺铥钬硅酸镥钇激光晶体的制备方法，特征在于该方法包括下列步骤：
<1>按Tm/Ho:LYSO的分子式Tm2xHo2yLu2-2(x+y+z)Y2zSiO5中x、y、z的选择范围：0≤x≤0.06，0≤y≤0.02，0≤z≤0.5选定x、y、z后，按各组分的摩尔量称取相应量的干燥的高于99.995％纯度的Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、Y2O3和SiO2原料；
<2>将上述称取的各组分原料充分混合成均匀的混合粉料；
<3>将混合均匀的粉料，在1-5Gpa的压力下压成圆柱状的料饼，料饼直径略小于坩埚的直径，在高于1100℃的温度下进行烧结30小时；
<4>将烧好的料餅装进炉膛中的铱金坩埚内，采用中频感应加热铱金坩埚内的料餅，使其完全熔化；
<5>采用硅酸镥晶体作籽晶进行提拉法生长，Tm/Ho:LYSO晶体的生长温度为2000-2100℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1-3mm/hr，晶体转速为15-30RPM，晶体经过下种、缩颈、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束；
<6>从提拉炉内取出的Tm/Ho:LYSO激光晶体，在空气气氛中进行退火处理，退火温度为1000-1300℃，保温时间20-30小时，升降温速度为30-50℃/hr。
3、根据权利要求2所述的掺铥钬硅酸镥钇激光晶体的制备方法，特征在于所述的硅酸镥籽晶为a轴、b轴、c轴或者其它结晶方向的硅酸镥籽晶。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101864597A (zh) * | 2010-06-07 | 2010-10-20 | 长春理工大学 | 钬铥双掺镓酸钆激光晶体 |
| CN101935874A (zh) * | 2010-09-02 | 2011-01-05 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 铥掺杂氟化铅晶体及其制备方法 |
| CN110158150A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-08-23 | 山东大学 | 激活离子掺杂的ABAlO4单晶光纤及其制备方法与应用 |
| CN111041557A (zh) * | 2019-06-04 | 2020-04-21 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 铥钬双掺氧化镥激光晶体及其生长方法与应用 |
-
2007
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101864597A (zh) * | 2010-06-07 | 2010-10-20 | 长春理工大学 | 钬铥双掺镓酸钆激光晶体 |
| CN101935874A (zh) * | 2010-09-02 | 2011-01-05 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 铥掺杂氟化铅晶体及其制备方法 |
| CN101935874B (zh) * | 2010-09-02 | 2012-11-14 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 铥掺杂氟化铅晶体及其制备方法 |
| CN110158150A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-08-23 | 山东大学 | 激活离子掺杂的ABAlO4单晶光纤及其制备方法与应用 |
| CN110158150B (zh) * | 2019-05-20 | 2021-04-09 | 山东大学 | 激活离子掺杂的ABAlO4单晶光纤及其制备方法与应用 |
| CN111041557A (zh) * | 2019-06-04 | 2020-04-21 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 铥钬双掺氧化镥激光晶体及其生长方法与应用 |
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