CN103866387A

CN103866387A - 掺镱硼酸镧镁激光晶体及其制备方法

Info

Publication number: CN103866387A
Application number: CN201410130054.XA
Authority: CN
Inventors: 黄溢声; 王国富; 林州斌; 张莉珍; 孙士家
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: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明涉及一种掺镱硼酸镧镁（Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀）激光晶体及其生长方法。该晶体属于单斜晶系，P21/c空间群，晶胞参数：β=131.52°,Z=4，D_c=3.92g/cm³。该晶体可采用助熔剂法生长，以Li₂O-B₂O₃-LiF为混合助熔剂，生长温度900-980℃之间，降温速率为0.5-3℃/天，转速为5-30转/分钟，生长出了高质量、较大尺寸的Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀单晶。该晶体呈现出较宽的吸收和发射谱带。该晶体可成为一种新的超短脉冲激光晶体，并获得实际应用。

Description

掺镱硼酸镧镁激光晶体及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电子功能材料技术领域，特别是涉及一种作为超快固态激光器中工作物质的激光晶体材料。

背景技术

近年来，随着激光技术的迅猛发展，激光器在光学、通讯、医学、军事等诸多领域得到广泛应用，特别是全固态激光器，因其体积小、价格低、结构简单等优点倍受人们的关注。全固态激光器一般都是通过由激光二极管泵浦激光晶体产生激光输出，激光晶体是其核心。激光晶体由基质晶体和激活离子组成，其主要物理和化学性质由基质晶体决定，而其光谱特性则主要取决于激活离子。

镱离子（Yb³⁺）激活的激光晶体，其吸收带位于0.9～1.1μm范围，在～1μm处产生宽带荧光发射，发射截面大，有利于产生超快激光。与传统的Nd³⁺离子激光晶体相比，它具有以下众多优点：（1）能级结构简单，仅有基态²F_7/2和激发态²F_5/2，不存在激发态吸收和上转换，光转换效率高；（2）泵浦与激光波长非常接近，量子缺陷低，具有大的本征激光效率，理论上量子效率高达90％；（3）泵浦与激光上能级非常靠近，无辐射驰豫引起的热负荷低，仅为掺Nd³⁺材料的三分之一；（4）可掺杂较高浓度，荧光寿命长，为掺Nd³⁺材料的三倍多，有利于储能；（5）分裂的斯塔克能级使得掺镱的激光晶体呈现出不同程度的宽带吸收和发射。其在980nm处宽的吸收带与成熟的InGaAs激光二极管（LD）泵浦源能有效耦合，有利于采用LD泵浦。其宽带发射是研制超短脉冲激光器的先决条件，峰宽越大越有利于获得超短脉冲。目前，能够实现超短脉冲输出的掺镱的激光材料还比较少，且脉宽也较大，尽管掺镱的玻璃材料比掺镱的晶体有更短的脉冲输出，但是玻璃材料的的能量利用率很低，整体性能也不够理想。迄今为止，尚无理想的商品化的掺镱激光材料。目前，国内外都在积极寻找各种物理、化学、热学及机械性能优异，且易于生长出高质量、大尺寸的新型掺镱激光晶体。镱离子掺杂的激光晶体已成为激光材料研究领域的热点之一。

发明内容

本发明的目的就在于研制一种新的掺镱激光晶体，其具有宽的吸收和发射谱带，较大的吸收和发射截面，适合于采用LD泵浦，具有较好的各种综合性能，能够实现较高功率的超短脉冲激光输出。

硼酸镧镁（LaMgB₅O₁₀）属于单斜晶系，具有P21/c空间群结构，有较好的热学、机械等物化性能，是一种很好的激光基质材料。镱离子作为激光激活离子可掺入晶格中，取代镧离子的晶格位置，粉末衍射分析表明其掺杂浓度可为0.2at%～15at%，其具有较宽的吸收谱和较宽的荧光谱，从而获得一种新的激光晶体掺镱硼酸镧镁（Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀）。

本发明的技术方案如下：

具体的化学反应式：

(1-x)La₂O₃+xYb₂O₃+2MgO+10H₃BO₃=2La_(1-x)Yb_xMgB₅O₁₀+15H₂O所用的原料纯度及厂家：

药品名	纯度	厂家
			La₂O₃	99.999%	中国科学院长春应用化学研究所
Yb₂O₃	99.95%	中国科学院长春应用化学研究所
			Li₂CO₃	99.9%	中国医药集团上海化学试剂公司
H₃BO₃	99.99%	中国医药集团上海化学试剂公司
			MgO	99.9%	中国医药集团上海化学试剂公司
LiF	99.9%	中国医药集团上海化学试剂公司

我们经过实验找到了助熔剂方法生长掺镱硼酸镧镁[Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀]晶体的较理想的助熔剂：Li₂O-B₂O₃-LiF混合助熔剂体系，以及最佳的生长条件，并生长出了高质量的Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀晶体（见实施例1和2）。助熔剂方法生长掺镱硼酸镧镁晶体，其主要生长条件如下：所用助熔剂为Li₂O-B₂O₃-LiF混合助熔剂体系，生长温度在900～980℃之间，降温速率为0.5～3℃/天，晶体转速为5～30转/分钟。

将生长出的Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀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，其属于单斜晶系，P21/c空间群，具体晶胞参数：

β=131.52°,

Z=4，D_c=3.92g/cm³。

将生长出的2at.%Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀晶体，进行吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命等的分析测试，结果表明其主吸收峰在977nm，半峰宽为3nm，吸收截面为3.53×10^-20cm²；其在1026nm处的发射截面为1.21×10^-20cm²，荧光寿命为816μs。

本发明的掺镱硼酸镧镁（Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀）激光晶体，能够用助熔剂法容易地生长出质量优良的晶体，生长工艺简单、稳定，该晶体具有良好的导热性能、优良的光学特性、原料易得、能够直接使用LD泵浦等诸多优点，该晶体可作为一种较好的产生超短脉冲激光输出的激光晶体。

具体实施方式

下面结合具体实施例，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：以Li₂O-B₂O₃-LiF助熔剂生长掺杂浓度为1.0at.%Yb³⁺的Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀晶体。

生长原料为LaMgB₅O₁₀:Li₂O：H₃BO₃：LiF=1:2:5:1(摩尔比)，Yb³⁺离子的掺杂浓度为1.0at.%。采用助熔剂法，将按配比称量的原料充分研磨均匀后放入φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为930～980℃，0.5℃/天的降温速率，5转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为25×25×10mm³的高质量的Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀晶体。经ICP(等离子发射光谱)分析表明晶体中Yb³⁺离子含量为0.5at%。

实施例2：以Li₂O-B₂O₃-LiF助熔剂体系生长掺杂浓度为5.0at.%Yb³⁺的Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀激光晶体。

生长原料为LaMgB₅O₁₀:Li₂O：H₃BO₃：LiF=1:2:8:1(摩尔比)，Yb³⁺离子的掺杂浓度为5.0at.%。采用助熔剂法，将按配比称量的原料充分研磨均匀后放入φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为900～950℃，1℃/天的降温速率，30转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为25×15×10mm³的高质量的Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀晶体。经ICP(等离子发射光谱)分析表明晶体中Yb³⁺离子含量为2.0at%。

Claims

1.一种掺镱硼酸镧镁激光晶体，其特征在于：所述晶体的分子式为Yb³⁺:LaMgB₅O₁₀，属于单斜晶系，P21/c空间群结构，晶胞参数为

β=131.52°，

Z=4，D_c=3.92g/cm³。

2.如权利要求1所述的激光晶体，其特征在于：作为掺杂离子的Yb³⁺离子，其掺杂浓度在0.2at%～15at%之间。

3.一种权利要求1所述激光晶体的制备方法，采用助熔剂法，其特征在于：所用助熔剂为Li₂O-B₂O₃-LiF混合助熔剂，LaMgB₅O₁₀与助熔剂的摩尔量为1：0.5～2.0，生长温度在900～980℃之间，降温速率为0.5～3℃/天，晶体转速为5～30转/分钟。