CN109346914A - 一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，包括金属热沉、谐振腔以及依次设置的LD泵浦源、耦合单元、输入镜、增益介质、声光晶体、输出镜；所述声光晶体为石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料；所述石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料包括β‑Ga2O3基质材料，以及掺杂质量分数0.005％～0.03％的石墨烯量子点。该固体激光器采用石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体作为激发晶体，石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料以β‑Ga2O3单晶为基质，掺入石墨烯量子点，由于本发明制备的石墨烯量子点尺寸分布窄，同时涂覆有氧化锆涂层，掺杂均匀，不仅导电性能佳，且耐受程度高，具有较宽的发射光谱，同时，具有较高的热导率。

Description

一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器
技术领域
本发明涉及激光设备领域，特别一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器。
背景技术
热效应会导致热退偏、热致衍射损耗等问题，严重影响激光器的输出功率、转换效率以及光束质量等主要性能指标，严重时甚至引起增益介质的损坏，是高功率激光器性能的最主要限制因素。为缓解热效应带来的影响，相关领域的技术人员通过采用板条、DISK和光纤等形式的增益介质，增加增益介质的表面积体积比，大幅提高散热效率，从而极大地推进了激光器的功率输出能力。与板条和DISK激光器相比，光纤激光器具有如下几方面的优势：其泵浦结构较为简单；光纤本身的结构对于模式的限制作用使之在光束质量方面也存在明显优势；能够采用光纤耦合输出，应用环境适应性很好；基于这些优点，光纤激光器已成为高功率激光器的主要发展方向之一。
然而，高功率光纤激光器发展的一个明显障碍在于，目前广泛用作有源光纤基质的石英玻璃导热系数很小，仅为1.4-1.6W m-1K-1，小导热系数对散热带来巨大的不利影响，因此光纤激光器高功率运转时仍然对于制冷有较高的要求，也限制了其功率的继续提升。对于单晶激光增益介质而言，常用的激光晶体钇铝石榴石(YAG)晶体导热系数～14Wm-1K-1，铝酸钇(YAP)晶体的导热系数也超过～11Wm-1K-1，高于石英玻璃数倍；因此，可考虑采用单晶作为有源光纤的基质，利用其高导热系数改善光纤本身的散热性能，降低系统对于制冷的要求，简化系统的复杂性，提升激光器的功率和光束质量等输出性能指标。
蓝宝石晶体的化学成分为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键形式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构，就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，因不同显色元素离子渗透于生长中的蓝宝石，因而使蓝宝石显出不同的颜色。掺质的蓝宝石晶体在人工珠宝领域占有重要的地位。蓝宝石晶体有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀，它耐高温，导热好，硬度高，透红外，化学稳定性好，且体积小、重量轻、成本低，被广泛地应用于科学技术、国防与民用工业的许多领域。
蓝宝石晶体是LED产品中重要的衬底材料，是半导体照明产业发展的基石，其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。
作为窗口级蓝宝石，掺杂元素对蓝宝石的作用主要是指对其结构、颜色等方面的影响。蓝宝石属于刚玉类宝石，其主要化学成分为Al2O3，通常有铁、钛等类质同象替代铝。其中蓝宝石的颜色与主要致色元素的含量及其比值以及形成时的氧逸度有着密切的关系。如Fe3+、Si4+、Co2+是使蓝宝石呈现蓝色的主要离子，Cr3+离子可以使蓝宝石呈现出橙色和绿色，Mn4+离子可使蓝宝石呈现黄色。晶体结构方面的变化直接导致蓝宝石的晶格完整度，硬度，抗热冲击性，导热性，机械稳定性、导电性、化学稳定性等理化性能发生改变，研究意义十分重大。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器。
技术方案：本发明提供的一种固体激光器，包括金属热沉(7)、谐振腔(8)以及依次设置的LD泵浦源(1)、耦合单元(2)、输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)；所述LD泵浦源(1)、耦合单元(2)、输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)依次连接，所述金属热沉(7)环设于增益介质(4)外侧壁上，所述输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)设置于谐振腔(8)内；所述声光晶体(5)为石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料；所述石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料包括β-Ga2O3基质材料，以及掺杂质量分数0.005％～0.03％的石墨烯量子点。
所述耦合单元(2)为光纤耦合系统，所述光纤耦合系统包括依次设置于一条直线上的第一耦合光学系统(21)、耦合光纤(22)、第二耦合光学系统(23)。
所述增益介质(4)靠近输入镜(3)的一端表面镀有对808nm增透和对1064nm高反的双色膜。
所述增益介质(4)靠近输出镜(6)的一端表面镀有对1064nm波段的增透膜。
还包括水冷装置(9)，所述水冷装置(9)设置于金属热沉(7)外表面。
石墨烯量子点的掺杂质量分数为0.01％～0.02％，优选地，石墨烯量子点的掺杂质量分数为0.02％。
所述的石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将丙醇锆溶解于其5～10倍质量的乙醇中，搅拌下加入体积比为3:2的乙酰丙酮/水混合溶剂，室温下静置老化2～3天，制得涂层凝胶，所述乙醇和乙酰丙酮/水混合溶剂的体积比为25～40:1；
步骤2：将石墨烯量子点加入步骤1所得涂层凝胶中，搅拌均匀后，60℃干燥8～24h；
步骤3：重复步骤2 3～5次，500℃下烘烤30min，制得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点；
步骤4：将步骤3所得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点、纯度大于99.999％的氧化镓粉末加入乙醇中，超声分散均匀，蒸除溶剂，成型，烧结，得到石墨烯量子点掺杂陶瓷靶，所述石墨烯量子点质量为氧化镓粉末质量的0.005％～0.03％；
步骤5：将烧结好的石墨烯量子点掺杂陶瓷靶放入生长炉的铱金坩埚中，以纯的β-Ga2O3晶体作为生长用的籽晶，生长方向平行于(100)解理面；
步骤6：生长炉抽低真空至炉压<10Pa后，充入Ar气，1380～1420℃加热并恒温0.5～0.8h，再充入CO2气体，继续升温至1800～1900℃，使多晶陶瓷原料完全熔化并沿模具狭缝上升至模具顶端，恒温；
步骤7：将籽晶浸入模具上端熔体，待籽晶与熔体充分熔接后，依次进行引晶缩颈、放肩、等径生长的晶体生长过程；
步骤8：晶体生长结束后，脱模、退火冷却，即得。
步骤1中丙醇锆与乙醇的质量比为1:8，乙醇和乙酰丙酮/水混合溶剂的体积比为30:1。
步骤2中所述石墨烯量子点由以下方法制备得到：将单层氧化石墨烯加入质量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液中制得浓度为2mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯分散液，加入0.1～0.5倍单层氧化石墨烯质量的具有六方晶体结构的氧化锌和3～5倍单层氧化石墨烯质量的聚甲基吡咯烷酮，分散均匀后，160℃～300℃下水热反应0.5h～2h，用1～2mol/L盐酸调节pH至2～3，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，用10％～25％的氨水调节滤液的pH值至7～8，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，乙酸乙酯或二氯甲烷萃取，蒸除溶剂，所述氧化锌的的粒径为5nm～30nm；步骤2中干燥时间为8～12h。
步骤4中烧结的工艺条件为空气气氛下，1500～1700℃恒温15～20h；步骤7中所述的放肩提拉速率由3.5mm/h逐渐增加至8mm/h，等径生长提拉速率为8mm/h；步骤8中退火冷却的操作为晶体脱模后，先恒温1～2h后，进行原位退火，再在15～20h内冷却至室温。
有益效果：本发明提供的固体激光器采用石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体作为激发晶体，石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料以β-Ga2O3单晶为基质，掺入石墨烯量子点，由于本发明制备的石墨烯量子点尺寸分布窄，同时涂覆有氧化锆涂层，掺杂均匀，不仅导电性能佳，且耐受程度高，具有较宽的发射光谱，同时，具有较高的热导率，有利于实现高能量的激光输出，可作高效激光的超快激光晶体及可调谐激光增益介质使用。
附图说明
图1为固体激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明固体激光器作出进一步说明。
下面对本发明固体激光器作出进一步说明。
实施例1石墨烯量子点的制备
称取2.0g单层氧化石墨烯，加入1L质量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液，搅拌均匀制得氧化石墨烯分散液，加入2g具有六方晶体结构、粒径为20nm的氧化锌和8g聚甲基吡咯烷酮，分散均匀后，160℃～300℃下水热反应1h，结束反应，用2mol/L盐酸调节pH至2～3，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，用25％的氨水调节滤液的pH值至7～8，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，乙酸乙酯萃取，蒸除溶剂，所得的石墨烯量子点尺寸平均为8.1nm，尺寸分布窄。
实施例2石墨烯量子点的制备
称取2.0g单层氧化石墨烯，加入500ml质量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液中，搅拌制得氧化石墨烯分散液，加入0.5g具有六方晶体结构、粒径为20nm的氧化锌和6g聚甲基吡咯烷酮，分散均匀后，160℃～300℃下水热反应2h，用2mol/L盐酸调节pH至2～3，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，用25％的氨水调节滤液的pH值至7～8，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，乙酸乙酯萃取，蒸除溶剂即得。
实施例3石墨烯量子点的制备
称取2.0g单层氧化石墨烯，加入800ml质量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液中，搅拌制得氧化石墨烯分散液，加入0.8g具有六方晶体结构、粒径为20nm的氧化锌和10g聚甲基吡咯烷酮，分散均匀后，160℃～300℃下水热反应0.5h，用2mol/L盐酸调节pH至2～3，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，用25％的氨水调节滤液的pH值至7～8，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，乙酸乙酯萃取，蒸除溶剂即得。
实施例4石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料的制备
称取10g丙醇锆溶解于其100g乙醇中，搅拌下加入2nl体积比为3:2的乙酰丙酮/水混合溶剂，室温下静置老化3天，制得涂层凝胶；称取0.5g实施例1制备的石墨烯量子点，涂层凝胶中，搅拌均匀后60℃干燥12h，重复3次，500℃下烘烤30min，制得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点；称取0.03g所得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点、10g纯度大于99.999％的氧化镓粉末加入乙醇中，超声分散均匀，蒸除溶剂，成型，空气气氛下、1500℃恒温20h，得到石墨烯量子点掺杂陶瓷靶；将石墨烯量子点掺杂陶瓷靶置入铱金坩埚内，β-Ga2O3单晶放入铱金籽晶夹具内，晶体生长方向平行于(100)解理面；抽真空至炉内气压为8Pa后，充Ar气，持续升温至1400℃，恒温0.5h，再充入CO2气体，继续升温至1850℃直至原料完全融化并沿模具狭缝上升至模具顶端，恒温1h，保证最后炉内气体配比Ar﹕CO2＝5:1，炉压为1.2bar；缓慢升温10℃，恒温20min后将籽晶浸入模具上端熔体，30min后籽晶与熔体充分熔接，进行高温引晶缩颈操作：放肩阶段提拉速度由3.5mm/h逐渐增加至8mm/h，等径阶段提拉速率为8mm/h；晶体生长结束后，增加提拉速率至15mm/h，直至晶体完全脱离模具，恒温1h进行原位退火，在15h内冷却至室温，获得晶体。
将生长得到的晶体沿(100)方向切割成10×4×2.5mm的片状样品，利用范德堡法，室温下，通过测量晶片的表面载流子浓度和霍尔迁移率来测定晶片的电导率，平均电导率为5.796S/cm。
实施例5石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料的制备
同实施例4的方法制得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点；称取0.02g所得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点、10g纯度大于99.999％的氧化镓粉末加入乙醇中，超声分散均匀，蒸除溶剂，成型，空气气氛下、1500℃恒温20h，得到石墨烯量子点掺杂陶瓷靶；同实施例4的方法制得晶体，平均电导率为3.471S/cm。
实施例6石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料的制备
同实施例4的方法制得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点；称取0.01g所得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点、10g纯度大于99.999％的氧化镓粉末加入乙醇中，超声分散均匀，蒸除溶剂，成型，空气气氛下、1500℃恒温20h，得到石墨烯量子点掺杂陶瓷靶；同实施例4的方法制得晶体，平均电导率为5.324S/cm。
实施例7
固体激光器，包括金属热沉(7)、谐振腔(8)以及依次设置的LD泵浦源(1)、耦合单元(2)、输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)；所述LD泵浦源(1)、耦合单元(2)、输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)依次连接，所述金属热沉(7)环设于增益介质(4)外侧壁上，所述输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)设置于谐振腔(8)内。
所述耦合单元(2)为光纤耦合系统，所述光纤耦合系统包括依次设置于一条直线上的第一耦合光学系统(21)、耦合光纤(22)、第二耦合光学系统(23)。
所述增益介质(4)靠近输入镜(3)的一端表面镀有对808nm增透和对1064nm高反的双色膜。
所述增益介质(4)靠近输出镜(6)的一端表面镀有对1064nm波段的增透膜。
所述声光晶体(5)为实施例4至6的石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料。
还包括水冷装置(9)，所述水冷装置(9)设置于金属热沉(7)外表面。

Claims (10)

1.一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：包括金属热沉(7)、谐振腔(8)以及依次设置的LD泵浦源(1)、耦合单元(2)、输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)；所述LD泵浦源(1)、耦合单元(2)、输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)依次连接，所述金属热沉(7)环设于增益介质(4)外侧壁上，所述输入镜(3)、增益介质(4)、声光晶体(5)、输出镜(6)设置于谐振腔(8)内；所述声光晶体(5)为石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料；所述石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料包括β-Ga2O3基质材料，以及掺杂质量分数0.005％～0.03％的石墨烯量子点。
2.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：所述耦合单元(2)为光纤耦合系统，所述光纤耦合系统包括依次设置于一条直线上的第一耦合光学系统(21)、耦合光纤(22)、第二耦合光学系统(23)。
3.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：所述增益介质(4)靠近输入镜(3)的一端表面镀有对808nm增透和对1064nm高反的双色膜。
4.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：所述增益介质(4)靠近输出镜(6)的一端表面镀有对1064nm波段的增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：还包括水冷装置(9)，所述水冷装置(9)设置于金属热沉(7)外表面。
6.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：石墨烯量子点的掺杂质量分数为0.01％～0.02％，优选地，石墨烯量子点的掺杂质量分数为0.02％。
7.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：所述的石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将丙醇锆溶解于其5～10倍质量的乙醇中，搅拌下加入体积比为3:2的乙酰丙酮/水混合溶剂，室温下静置老化2～3天，制得涂层凝胶，所述乙醇和乙酰丙酮/水混合溶剂的体积比为25～40:1；
步骤2：将石墨烯量子点加入步骤1所得涂层凝胶中，搅拌均匀后，60℃干燥8～24h；
步骤3：重复步骤2 3～5次，500℃下烘烤30min，制得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点；
步骤4：将步骤3所得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点、纯度大于99.999％的氧化镓粉末加入乙醇中，超声分散均匀，蒸除溶剂，成型，烧结，得到石墨烯量子点掺杂陶瓷靶，所述石墨烯量子点质量为氧化镓粉末质量的0.005％～0.03％；
步骤5：将烧结好的石墨烯量子点掺杂陶瓷靶放入生长炉的铱金坩埚中，以纯的β-Ga2O3晶体作为生长用的籽晶，生长方向平行于(100)解理面；
步骤6：生长炉抽低真空至炉压<10Pa后，充入Ar气，1380～1420℃加热并恒温0.5～0.8h，再充入CO2气体，继续升温至1800～1900℃，使多晶陶瓷原料完全熔化并沿模具狭缝上升至模具顶端，恒温；
步骤7：将籽晶浸入模具上端熔体，待籽晶与熔体充分熔接后，依次进行引晶缩颈、放肩、等径生长的晶体生长过程；
步骤8：晶体生长结束后，脱模、退火冷却，即得。
8.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：步骤1中丙醇锆与乙醇的质量比为1:8，乙醇和乙酰丙酮/水混合溶剂的体积比为30:1。
9.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：步骤2中所述石墨烯量子点由以下方法制备得到：将单层氧化石墨烯加入质量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液中制得浓度为2mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯分散液，加入0.1～0.5倍单层氧化石墨烯质量的具有六方晶体结构的氧化锌和3～5倍单层氧化石墨烯质量的聚甲基吡咯烷酮，分散均匀后，160℃～300℃下水热反应0.5h～2h，用1～2mol/L盐酸调节pH至2～3，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，用10％～25％的氨水调节滤液的pH值至7～8，0.22μm～0.8μm的微孔滤膜过滤，乙酸乙酯或二氯甲烷萃取，蒸除溶剂，所述氧化锌的的粒径为5nm～30nm；步骤2中干燥时间为8～12h。
10.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体固体激光器，其特征在于：步骤4中烧结的工艺条件为空气气氛下，1500～1700℃恒温15～20h；步骤7中所述的放肩提拉速率由3.5mm/h逐渐增加至8mm/h，等径生长提拉速率为8mm/h；步骤8中退火冷却的操作为晶体脱模后，先恒温1～2h后，进行原位退火，再在15～20h内冷却至室温。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112034008A (zh) * 2020-09-11 2020-12-04 电子科技大学 一种石墨烯晶体结构质量评价方法

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CN112034008A (zh) * 2020-09-11 2020-12-04 电子科技大学 一种石墨烯晶体结构质量评价方法

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