CN101899710A - 三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体及其制备方法。三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体的化学组成表示式为：(Y1-x-yYbxCey)3Al5O12，其中：x的取值范围为0.01≤x≤0.95，y的取值范围为：0.001≤y≤0.05。该晶体材料在蓝光激发下，在1030纳米左右有最强的近红外荧光发出，荧光寿命在0.1-2.0毫秒之间。三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体的制备方法是采用熔体直拉法，所用的装置是中频感应加热提拉式单晶炉。这种制备方法可以在高温下生长大尺寸三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体。
Description
技术领域
本发明涉及一种三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体及其制备方法。
背景技术
三价稀土镱离子(Yb3+)的电子构型为4f13，仅有两个电子态，即基态2F7/2和激发态2F5/2，两者的能量间隔为10000cm-1。在晶格配位场作用下，2F7/2和2F5/2能级发生分裂，在上能级2F5/2最低的Stark能级和下能级2F7/2的子能级之间，将形成准三能级的激光产生机制。当Yb3+离子掺杂于石榴石系列晶体中时，其吸收峰在900-1100纳米区域，最强发射波长在1030纳米左右。
随着体积小、寿命长、效率高的激光二极管(LD)泵浦源的出现，Yb3+离子作为发光中心的晶体材料已成为新一代高功率全固态激光材料。相比于三价钕离子(Nd3+)、铒离子(Er3+)等稀土离子，Yb3+离子具有能级结构简单、本征量子缺陷低、辐射量子效率高、能级寿命长、吸收和发射光谱宽等特点，其晶体材料更适合应用于激光二极管泵浦的激光器件。
由于半导体泵浦源InGaAs二极管的激光输出功率升高、稳定性增强和价格下降，人们对高功率、小型化激光器的追求将变为现实。因此，适应InGaAs二极管输出波长的Yb3+离子掺杂激光晶体日益受到重视，特别是Yb3+离子掺杂激光晶体在核聚变、通信和军事上具有巨大应用潜力。
但是，利用InGaAs二极管作激光泵浦源，Yb3+离子掺杂晶体的激光输出系统是一个准三能级系统。准三能级系统的一个最大缺陷就是基态能级和激光跃迁的终止能级属于同一个能级多重态，使得激光阈值比较高。本发明的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体利用稀土离子间的能量传递机制，采用蓝光激发，克服了InGaAs二极管作激光泵浦源所导致的准三能级缺陷，适用于GaN蓝光二极管泵浦激光器。
发明内容
本发明的目的是克服现有稀土镱离子单掺钇铝石榴石晶体激光阈值高的问题，提供一种蓝光激发的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体材料。
本发明的另一个目的是提供上述三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体的制备方法。
本发明的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体材料，具有如下化学组成表示式：(Y1-x-yYbxCey)3Al5O12，其中：x的取值范围为0.01≤x≤0.95，y的取值范围为：0.001≤y≤0.05。该晶体材料在蓝光激发下，在1030纳米左右有最强的近红外荧光发出，荧光寿命在0.1-2.0毫秒之间。三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体的制备方法是采用熔体直拉法，所用的装置是中频感应加热提拉式单晶炉。这种制备方法可以在高温下生长大尺寸三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体。
本发明的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体材料按以下步骤通过高温熔体直拉法制备得到：按化学式中原子个数比称取反应原料，原料为高纯稀土氧化物和氧化铝粉体。经过预烧、充分混合、压料后，将原料放入中频感应炉中的铱坩埚，在高纯氩气或高纯氮气中加热至粉体原料熔融。再经过引晶、放肩、等径、收尾、降温等过程提拉生长得到稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石单晶。
与现有的镱离子单掺激活钇铝石榴石激光晶体相比，本发明的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体可吸收来自蓝光GaN激光二极管所发射的光子，利用稀土离子间的能量传递，提供给Yb3+离子输出1030纳米左右的近红外激光。
附图说明
图1为实施例1的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体的激发和发射光谱图。
图2为实施例1的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体的荧光衰减光谱图。
具体实施方式
实施例1
称取预烧后的高纯氧化钇(Y2O3)244.6200g，氧化铈(CeO2)1.0499g，氧化镱(Yb2O3)47.6835g，氧化铝(Al2O3)205.6910g，用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、收尾、降温等过程，生长得到三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体。
实施例2
称取预烧后的高纯氧化钇(Y2O3)280.8850g，氧化铈(CeO2)0.22375g，氧化镱(Yb2O3)4.9654g，氧化铝(Al2O3)213.7390g，用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、收尾、降温等过程，生长得到三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体。
实施例3
称取预烧后的高纯氧化钇(Y2O3)208.1290g，氧化铈(CeO2)0.3960g，氧化镱(Yb2O3)92.0567g，氧化铝(Al2O3)198.5210g，用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、收尾、降温等过程，生长得到三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体。
实施例4
称取预烧后的高纯氧化钇(Y2O3)176.2450g，氧化铈(CeO2)0.5680g，氧化镱(Yb2O3)132.371g，氧化铝(Al2O3)190.2830g，用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、收尾、降温等过程，生长得到三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体。
实施例5
称取预烧后的高纯氧化钇(Y2O3)145.1960g，氧化铈(CeO2)0.7401g，氧化镱(Yb2O3)170.0450g，氧化铝(Al2O3)183.3320g，用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、收尾、降温等过程，生长得到三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体。
实施例6
称取预烧后的高纯氧化钇(Y2O3)105.7240g，氧化铈(CeO2)8.8639g，氧化镱(Yb2O3)202.7530g，氧化铝(Al2O3)174.8700g，用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、收尾、降温等过程，生长得到三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体。
沿着垂直于晶体生长的方向，将实施例1制备的晶体切割成厚度为1.0毫米的单晶片，两面抛光后，测定得到本发明三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体的激发和发射光谱图，如图1所示，在监测晶体在波长为1030纳米的近红外发射时，晶体在400-500纳米波长蓝光范围内有一宽的激发峰，峰值在450纳米左右；用450纳米的蓝光激发晶体，晶体在1030纳米的荧光寿命为1.5毫秒。因此，本发明的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体适合于用来做蓝光GaN激光二极管泵浦激光工作介质。
Claims (3)
1.一种三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体材料，其化学组成表示式为：(Y1-x-yYbxCey)3Al5O12，其中：x的取值范围为0.01≤x≤0.95，y的取值范围为：0.001≤y≤0.05。
2.按权利要求1所述三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：首先将原料按化学组成式准确称量，充分混合均匀，进行压料后放入中频感应加热提拉炉中，采用高温熔体直拉法生长单晶材料。
3.按权利要求2所述的三价稀土铈和镱离子共掺钇铝石榴石激光晶体材料的制备方法，其特征在于所述的原料为高纯稀土氧化物和氧化铝。
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