CN102797038A - 镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体及其制备方法 - Google Patents

镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体及其制备方法，属于单晶生长领域。该激光晶体采用提拉法生长，在晶体生长配方中初始原料为MgO，Yb2O3，Er2O3，Li2CO3和Nb2O5粉末，首先进行配料，混料和压料，接着进行块料烧结，然后放入提拉炉中进行生长，生长过程中遵循化料、下种、引晶、缩颈、放肩、等径生长、拉脱和退火步骤。最后对生长出来的晶体进行极化处理。本发明生长的镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体具有较长的荧光寿命，较大的吸收和发射截面。该晶体有望在全固态中红外波段激光器中应用。

Description

镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光晶体材料的制备方法，尤其是一种镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的制备方法。
背景技术
铌酸锂晶体由于集压电，铁电，光电，声电和二阶光学非线性等性质于一身，已经被成功运用于集成装置中，比如光调制器，声光调制器等。除此之外，铌酸锂晶体还能被当做激光晶体使用，相比于其他激光晶体基质，铌酸锂有更突出的应用前景，比如当掺入稀土离子后，结合激活离子的光放大和基质晶体的非线性特性，能够实现晶体的自倍频激光输出。所以近10年来已经成为科学工作者的研究热点。但是，铌酸锂晶体本身的光致折射率效应往往会限制其激光放大输出，难于实现高功率激光输出，幸运的是，当掺入镁后，能够大大提升晶体的光致折射率变化阈值，为自倍频的激光输出提供了前提条件。
铒离子由于内层4f电子从亚稳态能级到基态能级的受激跃迁能提供光通讯窗口波长1.5微米的光放大，而一直成为人们研究的重点。但是，铒离子在980nm的吸收却是很弱，这就大大降低了激光实验中的泵浦效率，而镱离子在980nm处有很强的吸收，并且镱离子的荧光峰与铒离子的吸收峰有很强的重叠，能量传递效率很高，所以选择镱离子作为铒离子的敏化离子，提供泵浦效率是可行的。
本发明提出一种镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体及其制备方法，解决现有铒掺杂的铌酸锂激光晶体在泵浦效率、光致折射率效应和荧光寿命不好的问题，使其有望成为中红外波段固体激光器中优秀的放大增益介质，运用于光通讯等领域。
发明内容
本发明提供了一种镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体及其制备方法，该晶体有望在中红外波段激光器中应用。
本发明的技术解决方案如下：
一种镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体，该晶体的分子式为：EraYbbMgcLi6-2a-3b-3c-5dNbdO3,其中a为Er3+的掺杂浓度，其取值范围为0.1~1.5mol%；b为Yb3+的掺杂浓度，其取值范围为0.1~3mol%；c为Mg2+的掺杂浓度，其取值范围为0.1~5mol%；6-2a-3b-3c-5d和d为Li+和Nb5+的摩尔量百分比，满足(6-2a-3b-3c-5d)/d=0.942~0.960。
所述的镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的制备方法，该方法包括下列步骤：
①晶体生长的初始原料为MgO，Yb2O3，Er2O3，Li2CO3和Nb2O5粉末，选定a，b，c的取值，根据分子式EraYbbMgcLi6-2a-3b-3c-5dNbdO3称取原料；
②晶体生长：将所述的原料充分混合均匀，压制成块状，接着进行块料烧结，先升温到750度煅烧3~6小时，接着继续升温到1150度煅烧6~8小时，然后将烧结完成的多晶块料放入提拉炉中进行生长，生长气氛为空气，通过实验摸索，选择0.3~0.8mm/h的提拉速度和12~15r/min的转速；
③晶体极化：在晶体两端加上电压，电流密度为5~7mA/cm2，同时对晶体进行加热，温度达到1195~1210度，持续极化时间为6~8小时。
所述的晶体生长方法是提拉法。具体操作为：①籽晶选择，采用籽晶方向为（001），尺寸为4*4*30 mm3，籽晶使用前要经退火处理，以消除应力和减少位错；②下种，待原料融化后，将籽晶慢慢降至熔体表面附件，并保持一段时间的烘烤后，将籽晶下入熔体内，进行缩颈，消除籽晶带来的缺陷；③放肩，采取手动放肩，通过调节欧陆温控仪，控制晶体放肩，直至所需晶体直径；④等径生长，实验中利用上浮称装置自动控制等径生长过程，在该过程中，随时注意循环冷却水与仪器变化情况，随时记录；⑤拉脱和退火，等径生长结束后，快速将晶体向上提升，使晶体脱离熔体液面，同时设定自动降温程序，进行退火以减小和消除晶体的热应力。
本发明中提拉法生长过程中必须注意的是籽晶杆旋转速度和提拉速度的选择。①提拉速度，通过实验摸索，选择0.3~0.8mm/h的提拉速度用于晶体生长；②选择速度，在本方法中，选择12~15r/min的转速。
本发明中镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的极化方法为：将生长的晶体切去头尾，磨平，清洗干净，然后在晶体两端加上电压，进行极化处理，在晶体两端加上电压，电流密度为5~7mA/cm2，同时对晶体进行加热，温度达到1195~1200度，持续极化时间为6~8小时。
本发明技术效果
在国内外首次成功地提拉法生长出直径30 mm、长度45 mm的优质镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体。经过实验和计算表明，镱和铒之间有很强的能量传递效率，效率达到88%，镱能够有效地敏化铒，从而大大提高泵浦效率，掺入镁后，晶体的光致折射变化阈值大大提高，同时，1550nm波段荧光发射大大增强，并且荧光寿命达到4.84ms，与未掺镁的镱铒双掺铌酸锂激光晶体相比延长了23.8%，与单掺铒铌酸锂晶体相比延长了110%。该晶体有望在1.5微米输出的固体激光器中应用。
附图说明
图1是本发明实施例1生长镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的室温吸收光谱。
图2是本发明实施例1生长镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的室温荧光光谱。
图3是本发明实施例1生长镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的室温荧光衰减曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：Er0.015Yb0.03Mg0.05Li0.929Nb0.967O3晶体的生长制备
将高纯原料MgO，Yb2O3，Er2O3，Nb2O5和Li2CO3按分子式Er0.015Yb0.03Mg0.05Li0.929Nb0.967O3进行配料，将配好的原料均匀混合，压成块状，放入马弗炉中升温至750度，保温3个小时，除去二氧化碳气体，接着升温至1150度的温度下进行煅烧6个小时形成多晶料，随后将多晶料装入提拉炉中的白金坩埚，进行晶体生长，旋转速度为12r/min，等径生长提拉速度为0.6mm/h，降温速度为15度每小时，最后将生长完成的晶体在温度为1190度，电流密度为5mA/cm2的条件下极化，极化时间为6个小时，完成镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的制备。
实施例2：Er0.01Yb0.02Mg0.05Li0.936Nb0.975O3晶体的生长制备
将高纯原料MgO，Yb2O3，Er2O3，Nb2O5和Li2CO3按分子式Er0.01Yb0.02Mg0.05Li0.936Nb0.975O3进行配料，将配好的原料均匀混合，压成块状，放入马弗炉中升温至750度，保温3个小时，除去二氧化碳气体，接着升温至1150度的温度下进行煅烧8个小时形成多晶料，随后将多晶料装入提拉炉中的白金坩埚，进行晶体生长，旋转速度为10r/min，等径生长提拉速度为0.5mm/h，降温速度为12度每小时，最后将生长完成的晶体在温度为1200度，电流密度为6mA/cm2的条件下极化，极化时间为6个小时，完成镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的制备。
实施例3：Er0.007Yb0.018Mg0.045Li0.940Nb0.979O3晶体的生长制备
将高纯原料MgO，Yb2O3，Er2O3，Nb2O5和Li2CO3按分子式Er0.007Yb0.018Mg0.045Li0.940Nb0.979O3进行配料，将配好的原料均匀混合，压成块状，放入马弗炉中升温至750度，保温4个小时，除去二氧化碳气体，接着升温至1150度的温度下进行煅烧8个小时形成多晶料，随后将多晶料装入提拉炉中的白金坩埚，进行晶体生长，旋转速度为9r/min，等径生长提拉速度为0.4mm/h，降温速度为11度每小时，最后将生长完成的晶体在温度为1210度，电流密度为6.5mA/cm2的条件下极化，极化时间为8个小时，完成镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的制备。
实施例4：Er0.001Yb0.005Mg0.05Li0.942Nb0.990O3晶体的生长制备
将高纯原料MgO，Yb2O3，Er2O3，Nb2O5和Li2CO3按分子式Er0.001Yb0.005Mg0.05Li0.942Nb0.990O3进行配料，将配好的原料均匀混合，压成块状，放入马弗炉中升温至750度，保温4个小时，除去二氧化碳气体，接着升温至1150度的温度下进行煅烧6个小时形成多晶料，随后将多晶料装入提拉炉中的白金坩埚，进行晶体生长，旋转速度为9r/min，等径生长提拉速度为0.4mm/h，降温速度为11度每小时，最后将生长完成的晶体在温度为1200度，电流密度为6.5mA/cm2的条件下极化，极化时间为6个小时，完成镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的制备。
实施例5：Er0.001Yb0.001Mg0.05Li0.941Nb0.991O3晶体的生长制备
将高纯原料MgO，Yb2O3，Er2O3，Nb2O5和Li2CO3按分子式Er0.001Yb0.001Mg0.05Li0.941Nb0.991O3进行配料，将配好的原料均匀混合，压成块状，放入马弗炉中升温至750度，保温3个小时，除去二氧化碳气体，接着升温至1150度的温度下进行煅烧6个小时形成多晶料，随后将多晶料装入提拉炉中的白金坩埚，进行晶体生长，旋转速度为9r/min，等径生长提拉速度为0.4mm/h，降温速度为11度每小时，最后将生长完成的晶体在温度为1210度，电流密度为6.5mA/cm2的条件下极化，极化时间为6个小时，完成镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的制备。
实施例6：实例1生成晶体的光学测试实验。
将实例1生成的晶体加工成10*10*1mm3的尺寸的晶片，并进行高精度的光学级别抛光。对样品进行吸收测试，结果如图1所示。在荧光实验中激发光源是中心波长在980nm的激光光源，荧光测试范围是1400-1700nm，荧光光谱如图2所示。最后，测试其荧光寿命，结果如图3所示。通过理论计算得出该晶体具有较大的吸收和发射截面，同时还发现该晶体具有长的荧光寿命，有望在中红外波段激光器中应用。 

Claims (2)

1. 一种镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体，其特征在于该晶体的分子式为：EraYbbMgcLi6-2a-3b-3c-5dNbdO3,其中a为Er3+的掺杂浓度，其取值范围为0.1~1.5mol%；b为Yb3+的掺杂浓度，其取值范围为0.1~3mol%；c为Mg2+的掺杂浓度，其取值范围为0.1~5mol%；6-2a-3b-3c-5d和d为Li+和Nb5+的摩尔量百分比，满足(6-2a-3b-3c-5d)/d=0.942~0.960。
2. 权利要求书1所述的镁镱铒三掺杂铌酸锂激光晶体的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
       ①晶体生长的初始原料为MgO，Yb2O3，Er2O3，Li2CO3和Nb2O5粉末，选定a，b，c的取值，根据分子式EraYbbMgcLi6-2a-3b-3c-5dNbdO3称取原料；
       ②晶体生长：将所述的原料充分混合均匀，压制成块状，接着进行块料烧结，先升温到750度煅烧3~6小时，接着继续升温到1150度煅烧6~8小时自然降至室温，然后将烧结完成的多晶块料放入提拉炉中进行生长，生长气氛为空气，提拉速度的范围为0.3~0.8mm/h和转速为12~15r/min；
       ③晶体极化：在晶体两端加上电压，电流密度为5~7mA/cm2，同时对晶体进行加热，温度达到1195~1210度，持续极化时间为6~8小时。
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