CN102899721A

CN102899721A - 铒掺杂硼酸锶镱晶体及其制备方法与用途

Info

Publication number: CN102899721A
Application number: CN2012104119576A
Authority: CN
Inventors: 黄建华; 黄艺东; 陈雨金; 林炎富; 龚兴红; 罗遵度
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开铒掺杂硼酸锶镱晶体及其制备方法与用途。该晶体化学式为Er_xYb_(1-x)Sr₃(BO₃)₃，其中x=0.5-5mol%，该晶体属于三方晶系，为单轴晶，空间群为

Description

铒掺杂硼酸锶镱晶体及其制备方法与用途

技术领域

本发明涉及固体激光材料领域。

背景技术

铒离子（Er³⁺）产生的1.55μm波段激光位于光纤通信和大气传输窗口，而且该波段激光对人眼安全，因此被广泛应用于医学、军事、精密测距、精密遥感测量和光通讯等国防和民用领域。

目前1.55μm波段激光输出性能较好的是Er³⁺和Yb³⁺双掺硼酸盐晶体，如：Er:Yb:RCa₄O(BO₃)₃、Er:Yb:RAl₃(BO₃)₄、和Er:Yb:Sr₃R₂(BO₃)₄（R=Y，Gd）晶体。在上述晶体中，Er:Yb:RCa₄O(BO₃)₃晶体在峰值976nm处的吸收半高宽仅有3-4nm，不利于InGaAs半导体激光器的泵浦；Er:Yb:RAl₃(BO₃)₄晶体只能采用周期长、成本高、难生长的熔盐法生长；Er:Yb:Sr₃R₂(BO₃)₄晶体虽然可采用周期短、成本低、易生长的提拉法生长，但该晶体属于双轴晶，其各向异性较强，激光运转过程中容易开裂。此外，在上述激光晶体中通常要掺入0.5-5.0mol%的Er³⁺离子和10-30mol%的Yb³⁺离子以实现1.55μm波段激光输出，然而高浓度的Yb³⁺离子掺杂可能降低激光晶体的光学质量和热机械性能，从而影响该波段激光的输出性能。因此，寻找合适的基质材料以实现1.55μm波段激光输出一直是人们研究的热点。

Er:YbSr₃(BO₃)₃晶体属于三方晶系，为单轴晶，可采用提拉法生长。此外，该激光晶体中敏化离子Yb³⁺是基质晶体本身组成之一，而不是以一种“掺杂”的形式存在于晶体中；同时，由于Er³⁺（0.890Å）和Yb³⁺（0.868Å）离子的半径非常接近，因此在YbSr₃(BO₃)₃晶体中掺入Er³⁺离子，可以有效地减少晶体生长过程中产生的缺陷，提高晶体的光学质量和输出激光的性能。

发明内容

本发明的目的在于制备一种新的激光晶体Er:YbSr₃(BO₃)₃，通过控制晶体中Er³⁺离子的浓度，以实现1.55μm波段激光输出。

本发明包括如下技术方案：

本发明制备的铒掺杂硼酸锶镱晶体分子式为Er_xYb_(1-x)Sr₃(BO₃)₃，其中x=0.5-5mol%，该晶体属于三方晶系，为单轴晶，空间群为

，晶胞参数为a=12.4590(16)Å，c=9.2839(16)Å，α=β=90°，γ=120°。

所述晶体采用提拉法进行生长，其制备工艺如下：采用符合Er_xYb_(1-x)Sr₃(BO₃)₃摩尔比的Er₂O₃、Yb₂O₃、SrCO₃和过量1-5mol%的H₃BO₃为原料，使其固相反应充分，然后将反应后的产物置于单晶提拉炉中进行晶体生长，拉速为0.5-3.0mm/h，转速为10-20rpm，纵向的固液界面温度差为10-30^oC，最后经退火完成生长过程。

该晶体用于固体激光器中作为增益介质，使用976nm附近波长的红外激光作为泵浦源，实现1.55μm波段激光输出。

实施本发明技术方案具有的有益效果是：Er_xYb_(1-x)Sr₃(BO₃)₃激光晶体在空气中不潮解、可用提拉法生长、制备成本较低，生长的晶体具有良好的热、机械和化学稳定性；以Er_xYb_(1-x)Sr₃(BO₃)₃晶体为增益介质可以实现1.55μm波段的激光输出；Er³⁺离子在该晶体中还具有较宽的发射带，因此以Er_xYb_(1-x)Sr₃(BO₃)₃晶体为增益介质还可实现可调谐和超短脉冲激光输出。

具体实施方式

实例1：970nm半导体激光端面泵浦采用提拉法生长的Er_0.01:Yb_0.99Sr₃(BO₃)₃晶体实现1546nm激光输出。

称取0.50g的Er₂O₃、51.35g的Yb₂O₃、117.74g的SrCO₃和49.80g的H₃BO₃，将这四种原料一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀，用油压机以2吨/cm²的压强压成块体，分别在500^oC和1000^oC各烧20小时，然后再把烧结的原料取出来研磨、压片、烧结，这样反复操作3次以使原料固相反应充分，然后将反应后的产物转入铱坩埚中，置入氮气气氛保护下的单晶提拉炉中进行晶体生长。生长过程与参数为：先将原料升温熔化，熔点约为1400^oC，升温至高出熔点约30^oC并恒温2小时，让原料充分混合均匀，然后缓慢降温至高出熔点5^oC左右，引入籽晶，经引种、放肩、等径生长，拉速为0.5-3.0mm/h，转速为10-20rpm，纵向的固液界面温度差为10-30^oC，最后退火完成生长过程。生长得到尺寸大于φ20mm×30mm的Er_0.01:Yb_0.99Sr₃(BO₃)₃优质透明单晶。然后将1.25mm厚的晶体（端面积一般在平方毫米到平方厘米）端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在970nm波长处高透、1.55μm波段处高反(R>99%)，出射镀膜腔镜在970nm波长处高反(R>98%)、1.55μm波段处透过率为1.2%。利用970nm半导体激光端面泵浦即可得到斜率效率约为5.5%和输出功率约为0.39W的1546nm固体激光输出。

实例2：970nm半导体激光端面泵浦采用提拉法生长的Er_0.02:Yb_0.98Sr₃(BO₃)₃晶体实现1539nm激光输出。

称取1.00g的Er₂O₃、50.83g的Yb₂O₃、117.74g的SrCO₃和49.80g的H₃BO₃，将这四种原料一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀，用油压机以2吨/cm²的压强压成块体，分别在500^oC和1000^oC各烧结20小时，然后再把烧结的原料取出来研磨、压片、烧结，这样反复操作3次以使原料固相反应充分，然后将反应后的产物转入铱坩埚中，置入氩气气氛保护下的单晶提拉炉中进行晶体生长。生长过程与参数为：先将原料升温熔化，熔点约为1400^oC，升温至高出熔点约30^oC并恒温2小时，让原料充分混合均匀，然后缓慢降温至高出熔点5^oC左右，引入籽晶，经引种、放肩、等径生长，拉速为0.5-3.0mm/h，转速为10-20rpm，纵向的固液界面温度差为10-30^oC，最后退火完成生长过程。生长得到尺寸大于φ20mm×30mm的Er_0.02:Yb_0.98Sr₃(BO₃)₃优质透明单晶。然后将1.26mm厚的晶体（端面积一般在平方毫米到平方厘米）端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在970nm波长处高透、1.55μm波段处高反(R>99%)，出射镀膜腔镜在970nm波长处高反(R>98%)、1.55μm波段处透过率为1.2%。利用970nm半导体激光端面泵浦即可得到斜率效率约为8.6%和输出功率约为0.6W的1539nm固体激光输出。

Claims

1.一种铒掺杂硼酸锶镱晶体，该晶体的分子式为Er_xYb_(1-x)Sr₃(BO₃)₃，其中x=0.5-5mol%，该晶体属于三方晶系，为单轴晶，空间群为

，晶胞参数为a=12.4590(16)Å，c=9.2839(16)Å，α=β=90°，γ=120°。

2.权利要求1所述晶体的制备方法，采用提拉法进行生长，包括如下步骤：采用符合Er_xYb_(1-x)Sr₃(BO₃)₃摩尔比的Er₂O₃、Yb₂O₃、SrCO₃和过量1-5mol%的H₃BO₃为原料，使其固相反应充分，然后将反应后的产物置于单晶提拉炉中进行晶体生长，拉速为0.5-3.0mm/h，转速为10-20rpm，纵向的固液界面温度差为10-30^oC，最后经退火完成生长过程。

3.权利要求1所述的铒掺杂硼酸锶镱晶体用于固体激光器中作为增益介质，使用976nm附近波长的红外激光作为泵浦源，实现1.55μm波段激光输出。