CN101212123A - 一种掺镱硼酸氧钙钇镧激光晶体及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种掺镱硼酸氧钙钇镧激光晶体及其制备方法和用途，涉及人工晶体领域，特别是涉及一种激光晶体掺镱硼酸氧钙钇镧(Yb³⁺:Y_1－XLa_XCa₄O(BO₃)₃)及其制备方法和用途。采用提拉法(Czochralski方法)，在1500℃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Yb³⁺:Y_1－XLa_XCa₄O(BO₃)₃晶体。该晶体是一种新型的激光晶体，可产生1μm左右波长的激光输出。该晶体还有倍频效应，可以通过自倍频或者自混频的非线形光学手段得到蓝绿色激光输出。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

一种掺镱硼酸氧钙钇镧激光晶体及其制备方法和用途

技术领域

掺镱硼酸氧钙钇镧激光晶体及其制备方法和用途，它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

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。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镱离子的钇铝石榴石(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。镱离子是能级结构最简单的离子，其吸收带宽且与InGaAs LD泵浦源有效耦合，非常适合LD泵浦。相比于钕离子，镱离子有很多优点，如不存在激发态吸收和上转换，具有高的荧光寿命和光转换效率等等。因此，近年来镱离子成为激光晶体激活离子的热门之选。

硼酸氧钙钇(YCOB)晶体是上世纪90年代发展起来的一种新型非线性晶体材料。YCOB晶体可以实现对激光的二次倍频和三次倍频，其倍频系数分别达到KDP的2.8和1.4倍。该晶体有很宽的透射波段，稳定的物化性能和良好的机械加工性能。并且该晶体中的钇离子可以被激活离子如钕，镱取代，成为自倍频，或者自混频激光晶体。研究表明钇离子可以被其他稀土离子部分取代，形成置换式固溶体，来提高晶体的物理性能和光学性能。

发明内容

本发明的目的就在于研制一种新的激光晶体Yb³⁺:Y_1-XLa_XCa₄O(BO₃)₃X＜0.5，(简写为Yb³⁺:YLCOB)，能够直接使用闪光灯和LD泵浦的，具有较好激光性能和较高转换效率的激光晶体材料。该晶体是用镧离子替代YCOB中的部分钇离子，形成以YCOB为基的固溶体。Yb³⁺:YLCOB晶体属于单斜晶系，具有Cm空间群结构。其中镱离子是作为掺杂离子，取代钇和镧离子的晶格位置，镱的掺杂浓度在1at％～20at％之间。

Yb³⁺:YLCOB晶体是一种同成分熔化的化合物，可以采用提拉法生长。按摩尔比Yb_yY_1-x-yLa_xCa₄O(BO₃)的比例进行称样、混合、压片，然后进行固相合成。Yb₂O₃则按所需浓度加入。所用原料为：

药品名	纯度	厂家
			Yb2O3	99.999％	中科院长春应用化学研究所
Y2O3	99.999％	中科院长春应用化学研究所
			La2O3	99.999％	中科院长春应用化学研究所
CaCO3	99.99％	上海五四化学试剂厂
			H3BO3	99.99％	中国医药集团上海化学试剂公司

其主要生长条件如下：生长是在铱坩锅中、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1500℃左右，提升速度为0.5～2.0毫米/小时，晶体转速5～20转/分钟。

将生长出的Yb³⁺:YLCOB晶体，进行了定向，确定了其折射率主轴。然后进行了偏振吸收光谱、荧光光谱，荧光寿命和物化性质等的分析测试，结果表明：Yb³⁺:YLCOB晶体热力学性质以及硬度等物化性质和YCOB晶体基本相同。但其光谱性能有了显著的提高。例如，当X＝0.09时，其主吸收峰977nm的吸收跃迁截面为1.06×10^-20cm²，非常适合于采用InGaAs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。在900nm-1150nm处有一个非常宽的发射带，其中发射峰1035nm的发射跃迁截面为0.72×10^-21cm²。其倍频系数是KDP的3.2倍。相比Yb³⁺:YCOB，其吸收和发射跃迁截面都增大了。这非常有利于提高Yb³⁺:YLCOB晶体的激光性能。

Yb³⁺:YLCOB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，晶体硬度适中，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1μm左右，或者通过自倍频得到蓝绿光。因此，该晶体可作为一种较好的激光晶体或者激光自倍频晶体。

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10.0at.％Yb³⁺的Yb³⁺:Y_0.81La_0.09Ca₄O(BO₃)₃激光晶体。

将按配比准确称量好的CaCO₃、Y₂O₃、La₂O₃、H₃BO₃、Yb₂O₃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；取出后，重新研磨压片再升温至1200℃反应24小时。将合成好的以上样品放入铱坩锅中，采用提拉法，在N₂气氛中，生长温度为1500℃左右、晶体转速为12转/分钟，拉速为0.5-2毫米/小时的情况下，生长出了尺寸为φ15×22mm³的高质量的Yb³⁺含量为10.0at.％的Yb³⁺:Y_0.81La_0.09Ca₄O(BO₃)₃晶体。

实施例2：提拉法生长掺杂浓度为10.0at.％Yb³⁺的Yb³⁺:Y_0.65La_0.25Ca₄O(BO₃)₃激光晶体。

将按配比准确称量好的CaCO₃、Y₂O₃、La₂O₃、H₃BO₃、Yb₂O₃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；取出后，重新研磨压片再升温至1200℃反应24小时。将合成好的以上样品放入铱坩锅中，采用提拉法，在N₂气氛中，生长温度为1500℃左右、晶体转速为10转/分钟，拉速为0.5-1.5毫米/小时的情况下，生长出了尺寸为φ22×25mm³的高质量的Yb³⁺含量为10.0at.％的Yb³⁺:Y_0.65La_0.25Ca₄O(BO₃)₃晶体。

Claims (5)

1.一种掺镱硼酸氧钙钇镧激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Yb³⁺:Y_1-XLa_xCa₄O(BO₃)₃，其中X小于0.5。此晶体属于单斜晶系，空间群为Cm。

2.如权利要求1所述的掺镱硼酸氧钙钇镧激光晶体，其特征在于：在该晶体中，Yb³⁺离子作为掺杂离子，取代晶体中Y³⁺和La³⁺离子的晶格位置，其掺杂浓度在1at.-20at.％之间。

3.一种权利要求1的掺镱硼酸氧钙钇镧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Y₂O₃、La₂O₃、CaCO₃、H₃BO₃和Yb₂O₃为原料，按摩尔比Yb_yY_1-x-yLa_xCa₄O(BO₃)₃的比例称样、混合、压片，固相合成。在铱金坩锅中，惰性气体气氛下提拉生长出晶体，晶体生长的参数为生长温度1500℃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。

4.一种权利要求1的掺镱硼酸氧钙钇镧激光晶体的用途，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1μm左右波长的激光输出。

5.一种权利要求1的掺镱硼酸氧钙钇镧激光晶体的用途，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，通过自倍频或者自混频的非线形光学手段得到蓝绿色激光输出。