CN101671845A - Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体及其熔体法生长方法 - Google Patents

Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体及其熔体法生长方法 Download PDF

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张庆礼
殷绍唐
丁丽华
周文龙
刘文鹏
罗建乔
谷长江
李为民
秦青海
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Abstract

本发明公开了一种Yb离子掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体及其熔体法生长方法，其分子式为Yb2xRE2(1－x－y)RE′2ySiO5(0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜2，RE、RE′＝Gd、Y、Sc、La，且RE2(1－x－y)RE′2y≠Gd2(1－x－y)Y′2y)、Yb2xLa2(1－x)SiO5(0＜x＜1)，是将配制好的原料经充分混合、压制成形、高温烧结后，成为晶体生长的起始原料；生长起始原料放入坩埚经加热充分熔化后，成为熔体法生长的初始熔体，然后可用熔体法如提拉法、坩埚下降法、温梯法及其他熔体法来进行定向或非定向生长。Yb2xRE2(1－x－y)RE′2ySiO5、Yb2xLa2(1－x)SiO5单晶可用作全固态超短脉冲激光器、可调谐激光器中的工作物质。

Description

Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体及其熔体法生长方法
技术领域
本发明涉及激光材料和晶体生长领域，具体是Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体及其熔体法生长方法。
背景技术
近年来，随着900～1100nm GaAs激光二极管(LD)性能的提高，人们对于二极管泵浦的Yb离子掺杂的激光晶体越来越有兴趣。这是因为Yb离子是比较理想的二极管泵浦激光材料的激活离子，它具有简单的能级结构，仅有2F7/2和2F5/2两个多重态，避免了上转换、交叉驰豫、激发态等激光能量损耗。另外，Yb离子具有宽发射带，有利于超短脉冲的产生，吸收和激发波长之间的较小量子缺陷导致了低的热负载，减少了一系列不良后果，比如热透镜效应和热损伤。但是Yb离子的一个缺点是在大多数激光工作物质中，激光下能级位置较低，较高的热布居激活离子数导致激光阈值高，激光效率对热效应非常敏感。目前研究最多是LD抽运Yb：YAG晶体，连续激光输出也已经达到数千瓦的水平。但Yb：YAG发射宽度比较窄，激光产生在上能级的最低能级到下能级的次高能级的跃迁，阈值比较高，原因是Yb离子在YAG中的晶场较弱，致使2F7/2的能级分裂较小，激光发射的下能级位置较低。所以寻找Yb离子的发射带宽、2F7/2能级分裂大的激光材料是有意义的工作。掺杂Yb的硅酸盐晶体目前是人们研究的一个重要方面。
发明内容
本发明提供了一种Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体及其熔体法生长方法，具有宽的发射光谱，远高于Yb：YAG，同时Yb离子的2F7/2的分裂也很大，是LD泵浦超短脉冲激光器、可调谐激光其中的优良激光工作物质。
本发明的技术方案为：
本发明所述的Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体属单斜晶系，其钇、钪、钆、镧离子占据的结晶学格位对称性很低，并有两种格位，同时晶场较强，从而造成了替代它们的Yb离子的能级分裂很强，表现出宽的发光和吸收谱带。实验表明，Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶也表现出了强的晶场分裂，具有宽的吸收和发射谱带，一些硅酸盐混晶表现出比硅酸盐还宽一些的发射光谱。这些特征对于降低泵浦二极管的温度调控依赖、减小激光阈值、提高激光效率是非常有利的。同时，宽的发射光谱使得它们可成为全固态超短脉冲、可调谐激光中的优良工作物质。
具体实施方式
Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体的分子式为：
Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5、Yb2xLa2(1-x)SiO5，其中，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜2，RE和RE′表示Gd、Y、Sc、La，且RE2(1-x-y)RE′2y≠Gd2(1-x-y)Y′2y。
Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体的熔体法生长方法：
(1)、配料：
A：对于Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5，采用Yb2O3、RE2O3、RE′2O3、SiO2作为原料，按如下化合式进行配料：
xYb2O3+(1-x-y)RE2O3+yRE′2O3+SiO2→Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5
B.对于Yb2xLa2(1-x)SiO5，采用Yb2O3、La2O3、SiO2作为原料，按如下化合式进行配料：
xYb2O3+(1-x)La2O3+SiO2→Yb2xLa2(1-x)SiO5
所述的原料Yb2O3、Y2O3、Gd2O3、Sc2O3、La2O3、SiO2可用相应的镱、钇、钆、钪、镧、硅的其他化合物来代替，但需满足能通过化合反应能最终形成Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5、Yb2xLa2(1-x)SiO5化合物这一条件；
考虑在晶体生长过程中的分凝效应，设所述晶体中某种元素的分凝系数为k，k＝0.01-1，配料中含相应元素的化合物的质量为W克时，则在配料中应调整为W/k克。
(2)、原料的压制和烧结：将混合均匀的各原料组分压制成形，在在750-1700℃下烧结10-24小时，成为Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5、Yb2xLa2(1-x)SiO5晶体生长的初始原料，或者压制成形的原料不经烧结而直接成为晶体生长的初始原料。
(3)、将晶体生长初始原料放入生长坩埚内，通过加热并充分熔化，获得晶体生长初始熔体；然后将晶体生长初始熔体采用熔体法晶体生长工艺——提拉法、坩埚下降法、温梯法或者其它熔体法晶体生长方法进行生长，对于需要采用籽晶定向生长的熔体法生长方法，籽晶为Yb2xLa2(1-x)SiO5或La2SiO5单晶，籽晶方向—般为晶体对称性最高的二次轴方向，以及其他任意确定方向。

Claims (5)

1、Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体，其特征在于：化合物的分子式为：Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5、Yb2xLa2(1-x)SiO5，其中，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜2，RE和RE′表示Gd、Y、Sc、La，且RE2(1-x-y)RE′2y≠Gd2(1-x-y)Y′2y。
2、根据权利要求1所述的Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体的熔体法生长方法，其特征在于：
(1)、配料：
A：对于Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5，采用Yb2O3、RE2O3、RE′2O3、SiO2作为原料，按如下化合式进行配料：
xYb2O3+(1-x-y)RE2O3+yRE′2O3+SiO2→Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5
B.对于Yb2xLa2(1-x)SiO5，采用Yb2O3、La2O3、SiO2作为原料，按如下化合式进行配料：
xYb2O3+(1-x)La2O3+SiO2→Yb2xLa2(1-x)SiO5
(2)、原料的压制和烧结：将混合均匀的各原料组分压制成形，在在750-1700℃下烧结10-24小时，成为Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5、Yb2xLa2(1-x)SiO5晶体生长的初始原料，或者压制成形的原料不经烧结而直接成为晶体生长的初始原料。
(3)、将晶体生长初始原料放入生长坩埚内，通过加热并充分熔化，获得晶体生长初始熔体；然后将晶体生长初始熔体采用熔体法晶体生长工艺——提拉法、坩埚下降法、温梯法或者其它熔体法晶体生长方法进行生长。
3、根据权利要求2所述的Yb掺杂的钇、钪、钆、镧混晶和硅酸镧晶体的熔体法生长方法，其特征在于：对于需要采用籽晶定向生长的熔体法生长方法，籽晶为Yb2xLa2(1-x)SiO5或La2SiO5单晶，籽晶方向一般为晶体对称性最高的二次轴方向，以及其他任意确定方向。
4、根据权利要求2所述的Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体的熔体法生长方法，其特征在于：所述的原料Yb2O3、Y2O3、Gd2O3、Sc2O3、La2O3、SiO2可用相应的镱、钇、钆、钪、镧、硅的其他化合物来代替，但需满足能通过化合反应能最终形成Yb2xRE2(1-x-y)RE′2ySiO5、Yb2xLa2(1-x)SiO5化合物这一条件。
5、根据权利要求2所述的Yb掺杂的钇、钪、钆、镧硅酸盐混晶和硅酸镧晶体的熔体法生长方法，其特征在于：考虑在晶体生长过程中的分凝效应，设所述晶体中某种元素的分凝系数为k，k＝0.01-1，则当所述的反应步骤(1)中A、B的化合式中该元素的化合物的质量为W时，则在配料中应调整为W/k。
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