CN102560669A - 掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体。本发明采用60～90at％K₂W₂O₇为助熔剂，降温速率为1～5℃/天，转速为5～30转/分钟，生长出了高质量、较大尺寸的Cr³⁺:KSc(WO₄)₃晶体。该晶体属三方晶系，具有

Description

掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体

技术领域

本发明涉及光电子功能材料技术领域，尤其是涉及一种作为可调谐固态激光器中的工作物质的激光晶体材料。

背景技术

可调谐激光技术是激光领域中很重要的分支，其在一定的波长范围内能实现激光连续调谐输出。可调谐激光技术在科学技术和国防建设上具有十分重要的意义。可调谐激光器是各种激光光谱技术研究的主要技术设备，也是光学、光电子学、医学、生物学等研究的重要光源。在军事上，可调谐激光器将是未来光电子对抗的重要激光光源之一，如激光雷达、激光通信、激光水下探测和通信、激光遥感、激光致盲等。作为可调谐激光器工作物质之一的可调谐激光晶体，因为其独特的性能和重要的应用，也逐渐成为激光技术领域发展的一个热点。二十世纪八十年代激光二极管(LD)作为泵浦源的应用为可调谐激光晶体的发展注入了新的活力，激光二极管(LD)与传统泵浦源相比，具有体积小、效率高、寿命长、光束质量高以及稳定性好等优点。它的应用不仅提高了效率而且使可调谐激光器进入了全固态化阶段，增加了其在应用中的竞争力。因此探索适合LD泵浦的可调谐激光晶体引起了人们重视。目前人们研究的热点是用适合LD泵浦的可调谐晶体产生近红外可调谐激光，这种激光广泛应用于生物学显微、超快激光、通讯、环境监测等领域。

人们研究最多的、已进入应用领域的近红外可调谐激光晶体是Ti³⁺:Al₂O₃(掺钛蓝宝石)和Cr³⁺:Li CaAlF₆、Cr³⁺:LiSrAlF₆，但它们也都存在一些难以避免的缺陷，使得它们的应用范围受到限制。

Ti³⁺:Al₂O₃晶体的主要缺点是：它不能直接用半导体激光器泵浦，而且在该晶体中存在Ti³⁺-Ti⁴⁺离子对，使其在激光输出波段内出现吸收，影响了它的激光性能，而且由于其激光上能级寿命短(3.2μs)，需用短脉冲激光、Q开关激光、连续波激光或产生特别短脉冲的闪光灯泵浦，这就限制了它的应用。

Cr³⁺:LiCaAlF₆、Cr³⁺:LiSrAlF₆晶体尽管具有调谐范围较宽，发射截面大，所需的泵浦阈值低等诸多优点。但也存在着热性能差、吸收系数小、LD泵浦的激光效率低等问题。目前国内外都在积极寻找调谐波段更宽、能够直接使用LD泵浦的近红外可调谐激光晶体材料。

发明内容

本发明的目的就在于研制一种新的近红外可调谐激光晶体，能够直接使用LD和闪光灯泵浦的、宽调谐的可调谐激光晶体材料。

KSc(WO₄)₂属于三方晶系，具有

空间群结构，是一种很好的激光晶体基质材料，铬离子是作为掺杂离子可以很容易的取代钪离子的晶格位置。其掺杂浓度在0.2at％～3at％之间。荧光寿命(τ)为10～30μs，其荧光寿命是铬离子浓度的函数，可根据不同的需要掺入不同浓度的铬离子。实验结果表明其可调谐范围在750～1200nm之间，可作为可调谐激光晶体。

本发明采用如下技术方案：

1、一种掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Cr³⁺:KSc(WO₄)₂，属于三方晶系，具有

空间群结构，晶胞参数为

Z＝1，D_c＝4.41g/cm³，可产生可调谐激光。

2、如项1所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体，其特征在于：铬离子是作为掺杂离子，取代钪离子的晶格位置，其掺杂浓度在0.2at％～3at％之间。

3、如项1所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体，其特征在于：作为掺杂离子的铬离子其价态为+3价。

4、一种项1所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体的制备方法，其特征在于：该晶体采用熔盐顶部籽晶法生长，所用助熔剂为K₂W₂O₇，浓度控制在10at～40at％之间，生长温度在650～800℃之间，降温速率为1～5℃/天，晶体转速为5～30rpm。

5、一种如项1所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体的用途，其特征在于：该晶体用于可调谐固体激光器中作为工作物质，可获得宽调谐的激光输出，其可调谐范围在750～1200nm之间。

6、如项1、2或3所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体的用途，其特征在于：该晶体可使用激光二极管(LD)或闪光灯作为泵浦源，激发产生可调谐激光输出。

7、如项1、2或3所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体的用途，其特征在于：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。

掺铬钨酸钪钾激光晶体及其制备方法：我们经过实验找到了生长Cr³⁺:KSc(WO₄)₂晶体的较理想的助熔剂：K₂W₂O₇，以及最佳的生长条件，并生长出了高质量的晶体Cr³⁺:KSc(WO₄)₂(见实施例1和2)。

具体的化学反应式如下：

K₂CO₃+Sc₂O₃+4WO₃＝2KSc(WO₄)₂+CO₂

K₂CO₃+2WO₃＝K₂W₂O₇+CO₂

助熔剂方法生长掺铬钨酸钪钾激光晶体，其主要生长条件如下：所用助熔剂为K₂W₂O₇，助熔剂总的浓度控制在60～90at％之间，生长温度在650～800℃之间，降温速率为1～5℃/天，晶体转速为5～30rpm。

将生长出的Cr³⁺:KSc(WO₄)₂晶体，在四圆衍射仪上进行了衍射数据的收集，结构分析表明，其属于三方晶系，

Z＝1，D_c＝4.41g/cm³。

将生长出的Cr³⁺:KSc(WO₄)₂晶体，进行吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命等的分析测试。从Cr³⁺:KSc(WO₄)₂晶体的室温下的吸收光谱，可见在450～560nm和600～850nm之间有两个强的吸收谱带，其峰值分别为469nm和684nm，两个吸收带宽均约为100nm，而且可方便用LD和闪光灯进行泵浦，较宽的吸收峰有利于晶体对泵浦光的吸收，提高了输出功率。

从Cr³⁺:KSc(WO₄)₂晶体的室温下的荧光光谱，可见在900nm有很强的荧光发射，其峰宽为710～1200nm，其半峰宽为200nm左右，发射截面为4.8×10^-20cm²，荧光寿命为19.8μs。可在750～1200纳米之间进行调谐。

从上所述可见，本发明的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体，具有能够用熔盐法非常容易地生长出质量优良的晶体，生长工艺稳定，具有良好的导热性能，有优良的光学特性，原料易得、可调谐激光波段宽、能够直接使用闪光灯和LD泵浦等诸多优点，该晶体可作为一种较好的激光晶体。

具体实施方式

掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体及其制备方法，实现本发明的实验优选方式如下：

实施例1：以K₂W₂O₇为助熔剂生长生长掺杂浓度为0.4at.％Cr³⁺的Cr³⁺:KSc(WO₄)₂激光晶体。

生长原料为KSc(WO₄)₂∶K₂W₂O₇＝1∶4(摩尔比)，掺入1.0at％的Cr³⁺离子。采用熔盐顶部籽晶法，在φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为950→820℃之间，以2℃/天的降温速率，15转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为31×25×20mm³的高质量的Cr³⁺:KSc(WO₄)₂晶体。经ICP(等离子发射光谱)分析表明晶体中Cr³⁺离子含量为0.4at％。。

实施例2：以K₂W₂O₇为助熔剂生长生长掺杂浓度为0.82at.％Cr³⁺的Cr³⁺:KSc(WO₄)₂激光晶体。

生长原料为KSc(WO₄)₂∶K₂W₂O₇＝1∶3.5(摩尔比)，掺入2.0at％的Cr³⁺离子。采用熔盐顶部籽晶法，在φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为980→850℃之间，以3℃/天的降温速率，20转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为35×30×26mm³的高质量的Cr³⁺:KSc(WO₄)₂晶体。经ICP(等离子发射光谱)分析表明晶体中Cr³⁺离子含量为0.82at％。

Claims (7)

1.一种掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Cr³⁺:KSc(WO₄)₂，属于三方晶系，具有

空间群结构，晶胞参数为

Z＝1，Dc＝4.41g/cm³，可产生可调谐激光。

2.如权利要求1所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体，其特征在于：铬离子是作为掺杂离子，取代钪离子的晶格位置，其掺杂浓度在0.2at％～3at％之间。

3.如权利要求1所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体，其特征在于：作为掺杂离子的铬离子其价态为+3价。

4.一种权利要求1所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体的制备方法，其特征在于：该晶体采用熔盐顶部籽晶法生长，所用助熔剂为K₂W₂O₇，浓度控制在10at～40at％之间，生长温度在750～1000℃之间，降温速率为1～5℃/天，晶体转速为5～30rpm。

5.一种如权利要求1所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体的用途，其特征在于：该晶体用于可调谐固体激光器中作为工作物质，可获得宽调谐的激光输出，其可调谐范围在750～1200nm之间。

6.如权利要求1、2或3所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体的用途，其特征在于：该晶体可使用激光二极管LD或闪光灯作为泵浦源，激发产生可调谐激光输出。

7.如权利要求1、2或3所述的掺铬钨酸钪钾可调谐激光晶体的用途，其特征在于：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。