CN110284192A - 一种掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体及其制备方法 - Google Patents

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    • C30B29/24—Complex oxides with formula AMeO3, wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. ortho ferrites

Abstract

本发明提供了一种掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体及其制备方法，该晶体的化学式为ErxGd(1‑x)ScO3，其中x的取值为0.5，属于立方晶系其晶胞参数为 密度为6.48g/cm3，在高纯氩气气氛下，采用提拉法首次生长尺寸 掺铒钪酸钆激光晶体。其晶体材料尺寸大，质量高，性能优良。基于铒离子掺杂的3μm激光，可广泛应用于医疗、大气污染监测、定向红外对抗以及理想的远红外激光泵浦源。

Description

一种掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体及其制备方法
技术领域
本发明属于激光晶体领域，特别是一种掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体及其制备方法，属于荧光材料技术领域，它适合于InGaN激光二极管泵浦。
背景技术
3μm波段激光具有大气透过性能好，与水的强吸收峰位置重叠，对水的吸收率特别高等优点；同时3μm波段激光还是获得3-19μm高功率红外激光的理想泵浦源。因此，3μm波段激光在医疗、通信、遥感、生物工程、污染监测等领域具有十分广阔的应用前景。
目前Er3+通常采用发射波长在980nm附近的InGaAs二极管(LD)作为泵浦源，3μm激光对应于两激发态能级4I11/2到4I13/2之间的跃迁，铒离子中产生3μm发光的能级差值仅3500cm-1左右，所以，选择基质晶体的声子能量大小对激光性能的影响十分重要。理想的基质晶体材料，在满足高的热导率，高的中红外波段透过率的前提下，必须优先选择低声子能量的晶体。因为，低声子能量的基质晶体，可以大大降低3μm能级间的无辐射弛豫几率，从而提高晶体的量子效率。通常，当两个能级间的无辐射弛豫过程只需要5个及以下的声子参与时，无辐射弛豫过程将主导能级间的跃迁过程。所以，针对铒离子3μm能级跃迁，若要使辐射跃迁过程起主导作用，则要求声子能量至少要小于600cm-1。
钪酸钆晶体属于正交晶系的钙钛矿结构，熔点达到2150℃，其最大的声子能量为452cm-1，且具有较好的热稳定性。目前，稀土离子掺杂钪酸钆晶体的报道主要集中在镝离子掺杂钪酸钆激光晶体，如Dy离子掺杂GdScO3和Dy,Tb离子掺杂GdScO3激光晶体在可见光阶段的黄光激光。然而，有关Er离子掺杂钪酸钆晶体的晶体生长和3μm波段光谱性能研究还未有报道。
发明内容
为解决现有技术存在的不足以及铒离子掺杂钪酸钆3μm中红外波段光谱性能的缺失，本发明提供了一种掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体，其特征在于：晶体的化学式为ErxGd(1-x)ScO3。其中x的取值为0.5，属于立方晶系其晶胞参数为 密度为6.48g/cm3。
同时，还提供了一种上述晶体的制备方法，采用提拉法生长，该方法包括以下步骤：
(1)初始原料采用纯度为4N的Er2O3，Gd2O3和Sc2O3，选定x的值，根据掺铒钪酸钆激光晶体分子式ErxGd(1-x)ScO3，按照摩尔比x：(1-x)精确称量，进行配料；
(2)将原料在玛瑙研钵中充分混合均匀后，在马弗炉中350-450℃恒温8-16h除掉其中的水分，使用油压机180-280MPa下1-3.5min压成块状，放入Al2O3陶瓷坩埚中再装入马弗炉，在空气气氛下1000-1800℃烧结15-25h；
(3)装炉过程中，要保证籽晶中心、坩埚中心、温场中心以及线圈中心在一条铅垂线上，以便获得对称分布的温场，有利于所长晶体的完整性；
(4)抽真空充入高纯惰性气体氩气作为保护气氛，升温至原料熔化，待原料完全熔化后，保持一个小时，使原料充分熔化且组分均匀分布。同时以0.1-0.7mm/min缓慢下降提拉杆，进行烤籽晶过程，持续时间18-45min，然后将籽晶接触液面进行下种操作；
(5)下籽晶后，进行缩颈、放肩操作，进入等径生长，过程相对比较稳定，保持参数不变，等径生长到设定的长度后，升功率缩减直径至3.5-4.5mm完成收尾过程，晶体生长结束后，进行拉脱操作步骤，之后缓慢降温至室温，设定降温过程共计50-70h，获得掺铒钪酸钆单晶。
作为改进，步骤(5)所述的等径生长直径为15-20mm，等径生长的生长速率是1～2mm/h，转速为16～20rpm。
作为改进，步骤(5)中降温过程为70h，包括五个阶段，依次为(1)15℃/h，降温10h，2150℃-2000℃；(2)20℃/h，降温10h，2000℃-1800℃；(3)30℃/h，降温20h，1800℃-200℃；(4)35℃/h，降温20h，1200℃-500℃；(5)45℃/h，降温10h，500℃-室温；其中降温速率为15～50℃/h。
有益效果：本发明提供的掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体，与现有技术相比：(1)采用提拉法生长，高光学质量，可实现高效的3μm中红外波段激光输出。(2)晶体的生长始终保持在固液界面，不与坩埚发生直接接触，有利于防止杂质的侵入，而且可以降低内部应力；通过提拉杆旋转带动内部熔体产生对流，使所生长晶体的组分均匀性更好；提拉法籽晶一般采用定向晶体，更有利于固液界面定向结晶，减少位错，提升晶体质量。(3)提拉法生长掺铒钪酸钆激光晶体过程操作简单，周期短，更易得到大尺寸、高品质的单晶。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明提拉法生长装置示意图。
图2为本发明Er:GdScO3晶体的X射线粉末衍射图谱。
图3为本发明Er:GdScO3晶体的室温下吸收系数谱图。
图4为本发明Er:GdScO3晶体的室温下发射截面光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
采用纯度为4N的Er2O3，Gd2O3和Sc2O3的粉末，选定x＝0.5，根据掺铒钪酸钆激光晶体分子式ErxGd(1-x)ScO3，进行精确称量配料。将原料在玛瑙研钵中充分混合均匀后，在马弗炉中400℃恒温12h除掉其中的水分，使用油压机210MPa下2min压成块状，放入Al2O3陶瓷坩埚中并装入马弗炉，于空气气氛下1500℃烧结20h。装炉过程中保证籽晶中心、坩埚中心、温场中心以及线圈中心在一条铅垂线上，抽真空充入高纯惰性气体氩气作为保护气氛，升温至原料熔化，待原料完全熔化后，保持一个小时，使原料充分熔化且组分均匀分布，然后将籽晶接触液面进行下种操作。下籽晶后，进行缩颈、放肩操作，进入等径生长，过程相对比较稳定，基本不需要参数调节，等径生长到设定的长度后，升功率缩减直径至4mm左右完成收尾过程。晶体生长结束后，进行拉脱操作步骤。之后缓慢降温至室温，降温过程共计55h，获得掺铒钪酸钆单晶，出现开裂。
实施例2
采用纯度为4N的Er2O3，Gd2O3和Sc2O3的粉末，选定x＝0.5，根据掺铒钪酸钆激光晶体分子式ErxGd(1-x)ScO3，进行精确称量配料。将原料在玛瑙研钵中充分混合均匀后，在马弗炉中400℃恒温12h除掉其中的水分，使用油压机210MPa下2min压成块状，放入Al2O3陶瓷坩埚中并装入马弗炉，于空气气氛下1500℃烧结20h。装炉过程中保证籽晶中心、坩埚中心、温场中心以及线圈中心在一条铅垂线上，抽真空充入高纯惰性气体氩气作为保护气氛，升温至原料熔化，待原料完全熔化后，保持一个小时，使原料充分熔化且组分均匀分布。同时以0.5mm/min缓慢下降提拉杆进行烤籽晶过程，持续时间约30min，然后将籽晶接触液面进行下种操作。下籽晶后，进行缩颈、放肩操作，进入等径生长，过程相对比较稳定，基本不需要参数调节，等径生长到设定的长度后，升功率缩减直径至4mm左右完成收尾过程。晶体生长结束后，进行拉脱操作步骤。之后缓慢降温至室温，降温过程共计55h，获得掺铒钪酸钆单晶，出现开裂。
实施例3
采用纯度为4N的Er2O3，Gd2O3和Sc2O3的粉末，选定x＝0.5，根据掺铒钪酸钆激光晶体分子式ErxGd(1-x)ScO3，进行精确称量配料。将原料在玛瑙研钵中充分混合均匀后，在马弗炉中400℃恒温12h除掉其中的水分，使用油压机210MPa下2min压成块状，放入Al2O3陶瓷坩埚中并装入马弗炉，于空气气氛下1500℃烧结20h。装炉过程中保证籽晶中心、坩埚中心、温场中心以及线圈中心在一条铅垂线上，抽真空充入高纯惰性气体氩气作为保护气氛，升温至原料熔化，待原料完全熔化后，保持一个小时，使原料充分熔化且组分均匀分布。同时以(0.5mm/min)速度缓慢下降，提拉杆进行烤籽晶过程，持续时间约30min，然后将籽晶接触液面进行下种操作。下籽晶后，进行缩颈、放肩操作，进入等径生长，过程相对比较稳定，基本不需要参数调节，等径生长到设定的长度后，升功率缩减直径至4mm左右完成收尾过程。晶体生长结束后，进行拉脱操作步骤。之后缓慢降温至室温，降温过程共计70h，获得掺铒钪酸钆单晶，未开裂，光学质量较好。
本发明掺铒钪酸钆激光晶体可采用InGaN激光二极管泵浦，相比其他氧化物晶体具有较大的3μm中红外荧光分支比并且具有半高宽为200nm左右宽带的发光特性，实现高效的3μm中红外激光输出。
在高纯氩气气氛下，采用提拉法首次生长尺寸掺铒钪酸钆激光晶体。其晶体材料尺寸大，质量高，性能优良。本发明掺铒钪酸钆激光晶体可采用InGaN激光二极管泵浦，相比其他氧化物晶体具有较大的3μm中红外荧光分支比并且具有半高宽为200nm左右宽带的发光特性，有望实现高效的3μm中红外激光输出。基于铒离子掺杂的3μm激光，该发明可广泛应用于医疗、大气污染监测、定向红外对抗以及理想的远红外激光泵浦源。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体，其特征在于：晶体的化学式为ErxGd(1-x)ScO3。
2.根据权利要求1所述的掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体，其特征在于：其中x的取值为0.5，属于立方晶系其晶胞参数为密度为6.48g/cm3。
3.一种根据权利要求1或2所述的掺铒钪酸钆3μm中红外波段激光晶体的制备方法，其特征在于：采用提拉法生长，该方法包括以下步骤：
(1)初始原料采用纯度为4N的Er2O3，Gd2O3和Sc2O3，选定x的值，根据掺铒钪酸钆激光晶体分子式ErxGd(1-x)ScO3，按照摩尔比x：(1-x)精确称量，进行配料；
(2)将原料在玛瑙研钵中充分混合均匀后，在马弗炉中350-450℃恒温8-16h除掉其中的水分，使用油压机180-280MPa下1-3.5min压成块状，放入Al2O3陶瓷坩埚中再装入马弗炉，在空气气氛下1000-1800℃烧结15-25h；
(3)装炉过程中，要保证籽晶中心、坩埚中心、温场中心以及线圈中心在一条铅垂线上，以便获得对称分布的温场，有利于所长晶体的完整性；
(4)抽真空充入高纯惰性气体氩气作为保护气氛，升温至原料熔化，待原料完全熔化后，保持一个小时，使原料充分熔化且组分均匀分布。同时以0.1-0.7mm/min缓慢下降提拉杆，进行烤籽晶过程，持续时间18-45min，然后将籽晶接触液面进行下种操作；
(5)下籽晶后，进行缩颈、放肩操作，进入等径生长，过程相对比较稳定，保持参数不变，等径生长到设定的长度后，升功率缩减直径至3.5-4.5mm完成收尾过程，晶体生长结束后，进行拉脱操作步骤，之后缓慢降温至室温，设定降温过程共计50-70h，获得掺铒钪酸钆单晶。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的等径生长直径为15-20mm，等径生长的生长速率是1～2mm/h，转速为16～20rpm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)中降温过程为70h，包括五个阶段，依次为(1)15℃/h，降温10h，2150℃-2000℃；(2)20℃/h，降温10h，2000℃-1800℃；(3)30℃/h，降温20h，1800℃-200℃；(4)35℃/h，降温20h，1200℃-500℃；(5)45℃/h，降温10h，500℃-室温；其中降温速率为15～50℃/h。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114108072A (zh) * 2020-08-28 2022-03-01 中国科学院上海光学精密机械研究所 稀土离子掺杂的GdScO3激光晶体制备及其应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1998088A (zh) * 2004-04-07 2007-07-11 先进微装置公司 绝缘体上半导体的衬底以及由该衬底所形成的半导体装置
CN106894088A (zh) * 2017-02-22 2017-06-27 中国科学院合肥物质科学研究院 稀土离子掺杂的钙钛矿型氧化物可见激光晶体
CN108060457A (zh) * 2017-12-21 2018-05-22 苏州晶享嘉世光电科技有限公司 一种钪酸钆钇晶体及熔体法晶体生长方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1998088A (zh) * 2004-04-07 2007-07-11 先进微装置公司 绝缘体上半导体的衬底以及由该衬底所形成的半导体装置
CN106894088A (zh) * 2017-02-22 2017-06-27 中国科学院合肥物质科学研究院 稀土离子掺杂的钙钛矿型氧化物可见激光晶体
CN108060457A (zh) * 2017-12-21 2018-05-22 苏州晶享嘉世光电科技有限公司 一种钪酸钆钇晶体及熔体法晶体生长方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AMANYAN, S. N，ET AL.: "Structure and spectral-generation properties of erbium-doped gadolinium scandate (GdScO3) single crystals", 《KRISTALLOGRAFIYA》 *
AMANYAN, S. N，ET AL.: "The synthesis and structure of GdScO3", 《ZHURNAL NEORGANICHESKOI KHIMII》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114108072A (zh) * 2020-08-28 2022-03-01 中国科学院上海光学精密机械研究所 稀土离子掺杂的GdScO3激光晶体制备及其应用

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