CN101768778B - 自激活晶体磷酸钕及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(一)技术领域
本发明涉及光电子材料技术领域的磷酸钕(NdPO4)晶体及其生长方法。
(二)背景技术
半导体激光器泵浦的固体激光器(diode-pumped solid-state lasers,DPSSL)在工业生产、科学研究、医疗、军事(国防)等多方面有广泛应用,近年来已成为固体激光器研究和发展的主流。在DPSSL技术中,激光晶体的优劣对激光器整体性能有着决定性影响。探索性能更加优良的激光晶体是继续发展DPSSL技术十分基础和必要的工作,对于提高激光器性能具有重要意义,是固体激光器领域的重要研究内容之一。
目前,全固态激光器的正向微型化方向发展,意在利用微片全固态激光器(Microchip-type solid state laser)实现小体积、高密度、中小功率激光输出。实现这一目标的关键在于高效率、高光学质量、高热机械性能、高损伤阈值激光材料的研究和应用。
自激活激光晶体,它的激活离子不是作为杂质掺入基质晶体中,其本身就是晶体中一种化学计量比的组分,因此,自激活晶体具有高激活离子浓度激光材料,如大发射截面、长上能级寿命的,可用于发展小型高功率固体激光,满足国家应用发展的需要等,是目前科研人员致力研究的一个热点。一直以来,自激活晶体虽然不少,但是由于晶体本身固有的一些缺陷存在影响了它们的应用。
(三)发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供一种自激活激光晶体磷酸钕,可以直接使用闪光灯或LD泵浦,具有较高的转换效率。
本发明还提供一种自激活激光晶体磷酸钕的制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种自激活激光晶体磷酸钕,分子式为NdPO4,是按如下化学方程式反应生成:
Nd2O3+2NH4H2PO4=2NdPO4+2NH3↑+3H2O↑
本发明的自激活激光晶体磷酸钕的制备方法,步骤如下:
(1)以2N-5N氧化钕和2N-5N磷酸二氢铵为原料,氧化钕与磷酸二氢铵摩尔比为1∶2;以碳酸锂和氧化钼作助熔剂,其中碳酸锂与氧化钼的摩尔比为1∶2或1∶3,控制溶质浓度为10-50wt%,混合均匀后放入铂金坩埚中;
(2)将铂金坩埚置于生长炉中,升温至1000℃化料,再升温至1010-1050℃,恒温24-34小时,物料充分熔化后进行搅拌;在高于熔液饱和点温度10-20℃时,将籽晶引入生长炉,先置于液面上方充分预热后再下入溶液中,待籽晶开始熔化时,将熔液温度降至饱和点以上1-2℃,以30-40转/每分钟的旋转速率,按正转-停-反转的循环方式旋转籽晶4小时,开始降温,降温速率按晶体生长的初期、中期、后期分段控制,初期、中期、后期每一期间各是14-16天,在生长初期为0.1-0.5℃/天,生长中期为0.5-1℃/天,生长后期为1-2℃/天,生长周期为42-48天;
(3)生长结束后,从熔液中提出晶体,以40℃/小时的降温速率降至100℃,然后自然冷却至室温。获得到了晶形完整的厘米级NdPO4晶体。
上述步骤(2)的籽晶是磷酸钕小晶体,尺寸为0.1~0.2×0.1~0.2×0.1~0.2(单位cm)。
上述本发明的自激活磷酸钕晶体,具有很高的激活离子浓度,Nd3+即是激活离子又是晶体本身化学计量比成分,该晶体可以用做闪光灯或二极管(LD)泵浦的激光工作物质,用于产生1060nm或1339nm的激光输出。
本发明的优良效果:
1、本发明提供了一种不同于现有技术的自激活激光晶体磷酸钕,可以直接使用闪光灯或LD泵浦,具有较高的转换效率,是一种可以实现微片激光运转的自激活激光晶体。
2、由于磷酸钕晶体本身具有很高的激活离子浓度可以制作微片激光器,用于医疗、科研、军事等领域。
(四)附图说明
图1是采用本发明方法生长NdPO4晶体的装置结构示意图。其中,1、转动装置,2、籽晶杆,3、耐火砖,4、炉管,5、电阻丝,6、保温材料,7、铂金坩埚,8、熔液,9、氧化铝坩埚,10、热电耦。
图2是实施例1生长的NdPO4晶体的XRD谱图。
(五)具体实施方式
图1给出了采用本发明方法生长NdPO4晶体的装置结构示意图。该装置为一立式电阻丝加热炉,籽晶杆2伸入熔液8内,在转动装置1的带动下转动,炉管4内设有耐火砖3,电阻丝5绕在炉管4外壁,其外层为保温材料6。控温设备为FP21型可编程自动控温仪,在生长温度区域内控温精度为0.1%。育晶器7置入氧化铝坩埚9中,为70×90mm的铂金坩埚,可以承受1774℃以下的工作温度,所盛熔体不易对其造成腐蚀。热电耦10采用PtRh/Pt,可以有效控制生长温度。
实施例1
选用碳酸锂-氧化钼(Li2CO3-MoO3)作助熔剂,原料4N的Nd2O3、4N的NH4H2PO4,将上述各组份严格称量,按磷酸二氢铵∶氧化钕∶碳酸锂∶氧化钼=1∶1.46∶1.78∶6.92质量比混合均匀放入铂金坩埚中,升温至1000℃化料。
化学反应方程式为:Nd2O3+2NH4H2PO4=2NdPO4+2NH3↑+3H2O↑
助熔剂体系反应方程式为:Li2CO3+2MoO3=Li2Mo2O7+CO2↑
升温至1050℃,恒温28小时,确保物料充分熔化后进行搅拌,使熔液充分混和均匀。用籽晶试探法测定溶液饱和点温度,选用无缺陷的磷酸钕籽晶,在高于溶液饱和点温度10℃时,将籽晶引入生长炉,先置液面上方适当位置充分预热后在下入熔液中,然后将温度降至饱和点以上1℃,以30转/每分钟的旋转速率,按照正转-停-反转的循环方式旋转,4小时后开始降温,降温速率随晶体的生长期而不断加快,生长初期第一个15天的降温速率为0.1-0.5℃/天,生长中期第二个15天为0.5-1℃/天,后期第三个15天的1-2℃/天,生长周期为45天;生长结束后,从熔液中提出晶体,以40℃/小时的降温速率降至100℃后,让其自然冷却至室温。获得到了晶形完整的1立方厘米的NdPO4晶体,其晶体结构参数:空间群为P21/n,晶胞参数为a=6.7416,b=6.9565,c=6.4086,单斜晶系。
实施例2
选用碳酸锂—氧化钼(Li2CO3-MoO3)作助熔剂,原料为2N-5N的Nd2O3、NH4H2PO4,将上述各组份严格称量,按磷酸二氢铵∶氧化钕∶碳酸锂∶氧化钼=1∶1.46∶1.78∶10.37质量比,混合均匀放入铂金坩埚中,升温至1000℃化料。
化学反应方程式为:Nd2O3+2NH4H2PO4=2NdPO4+2NH3↑+3H2O↑
助熔剂体系反应方程式为:Li2CO3+3MoO3→Li2Mo3O10+CO2
升温至1030℃,恒温30小时,物料充分熔化后进行搅拌,使熔液充分混和均匀。用籽晶试探法测定溶液饱和点温度,选用质量较好的籽晶生长,在高于溶液饱和点温度12℃时,将籽晶引入生长炉,置液面上方适当位置充分预热后下入溶液,然后将温度降至饱和点以上1.5℃,以35转/每分钟的旋转速率,按照正转-停-反转的循环方式旋转,4小时后开始降温,降温速率随晶体的生长期而不断加快,生长初期15天内的降温速率为0.1-0.5℃/天,生长中期的16天内为0.5-1℃/天,生长后期的16天内的1-2℃/天,生长周期为47天;获得到了晶形完整的NdPO4晶体,尺寸为1×1.1×1.2(厘米),晶体结构参数同实施例1。
Claims (1)
1.一种自激活激光晶体磷酸钕的制备方法,步骤如下:
(1)以2N-5N氧化钕和2N-5N磷酸二氢铵为原料,氧化钕与磷酸二氢铵摩尔比为1∶2;以碳酸锂和氧化钼作助熔剂,其中碳酸锂与氧化钼的摩尔比为1∶2或1∶3,控制溶质浓度为10-50wt%,混合均匀后放入铂金坩埚中;
(2)将铂金坩埚置于生长炉中,升温至1000℃化料,再升温至1010-1050℃,恒温24-34小时,物料充分熔化后进行搅拌;在高于熔液饱和点温度10-20℃时,将籽晶引入生长炉,先置于液面上方充分预热后再下入溶液中,待籽晶开始熔化时,将熔液温度降至饱和点以上1-2℃,以30-40转/每分钟的旋转速率,按正转-停-反转的循环方式旋转籽晶4小时,开始降温,降温速率按晶体生长的初期、中期、后期分段控制,初期、中期、后期每一期间各是14-16天,在生长初期为0.1-0.5℃/天,生长中期为0.5-1℃/天,生长后期为1-2℃/天,生长周期为42-48天;
(3)生长结束后,从熔液中提出晶体,以40℃/小时的降温速率降至100℃,然后自然冷却至室温,得厘米级NdPO4晶体。
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