CN110295392A - 一种可调谐激光晶体掺铬钪酸钆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调谐激光晶体掺铬钪酸钆晶体及其制备方法。该晶体的化学式为Gd(Sc_1‑xCr_x)O₃，其中x的取值范围为0.00001～0.3，该晶体属于正交晶系，a＝5.45，b＝5.75，c＝7.93。采用导模法或提拉法，生长气氛为高纯氩。生长出质量较好、尺寸较大的Cr³⁺:GdScO₃晶体，该晶体具有机械性能适中、可调谐激光波段宽的优点，是一种较好的可调谐激光晶体材料，其可调谐范围在650～1100nm之间。与现有技术相比，本发明掺铬钪酸钆激光晶体可采用钨或钼坩埚生长，与铱坩埚生长相比具有低成本优势。

Description

一种可调谐激光晶体掺铬钪酸钆及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电子功能材料技术领域，尤其是涉及一种作为可调谐固态激光器中工作物质的激光晶体材料。

背景技术

可调谐激光是指在一定波长范围内(即宽光谱间隔内)激光波长可以连续改变的激光。可调谐激光技术，在科学技术和国防建设上具有十分重要的意义。可调谐激光器是各种激光光谱技术研究的主要技术设备，也是光学、光电子学、医学、生物学等研究的重要光源。在军事上，可调谐激光器将是未来光电子对抗的重要激光光源之一，如激光雷达，激光通信，激光水下探测和通信，激光遥感，激光致盲等。

自1963年L.F.Johnson等人采用闪光灯泵浦，在掺Ni²⁺的MgF₂晶体中实现了第一个固态可调谐激光运转以来，人们发现了很多可调谐激光晶体，如Ti³⁺:Al₂O₃、Cr³⁺:Mg₂SiO₄、Cr³⁺:LiSrAlF₆、Cr³⁺:BeAl₂O₄等，但由于各种原因，大多数可调谐激光晶体只限于作实验室工具，无法推向工业应用。目前研究最多的、已进入应用领域的可调谐激光晶体是Cr³⁺:BeAl₂O₄(紫翠宝石)、Ti³⁺:Al₂O₃(掺钛蓝宝石)和Cr³⁺:LiCaAlF₆、Cr³⁺:LiSrAlF₆，但是从晶体的可调谐波长范围、吸收系数、发射截面、泵浦方式和生长工艺等因素来综合考虑，目前还没有一种晶体能够很好地满足人们的需求。

Cr³⁺:BeAl₂O₄(紫翠宝石)晶体的主要缺点是：调谐范围在700～800nm之间，发射截面小(6×10^-21cm²)，所需的泵浦阈值高，而且还具有高损伤率和高热透镜效应等缺点，另外由于BeO剧毒，也给生长带来很大困难。

Ti³⁺:Al₂O₃晶体的主要缺点是：该晶体中Ti³⁺-Ti⁴⁺离子对的出现，使得在激光输出波段，即近红外波段出现吸收，影响了其激光性能，而且由于其激光上能级寿命短(只有3.2μs)，需用短脉冲激光、Q开关激光、连续波激光或产生特别短脉冲的闪光灯泵浦，也进一步限制了它的应用。

Cr3+:LiCaAlF6、Cr³⁺:LiSrAlF₆晶体尽管具有调谐范围较宽，发射截面大，所需的泵浦阈值低等诸多优点。但也存在着吸收系数小、LD泵浦的激光效率低等问题。因此，寻找可调谐范围更宽，且能够直接使用闪光灯和LD泵浦的可调谐激光晶体材料成为目前激光晶体研究领域的热点之一。

发明内容

针对现有技术中存在的如何解决开发一种成本低、易工业化且成长性良好的激光晶体的技术难题，本发明的目的是提供一种掺铬钪酸钆激光晶体，该晶体的化学式为Gd(Sc_1-xCr_x)O₃，其中x的取值范围为0.00001～0.3。

同时，还提供了一种上述掺铬钪酸钆激光晶体的制备方法，该方法采用导模法或提拉法生长，具体步骤为：

(1)初始原料采用纯度为4N或5N的Cr₂O₃、Sc₂O₃和Gd₂O₃，选定x的取值后，根据掺铬钪酸钆激光晶体分子式Gd(Sc_1-xCr_x)O₃，按照摩尔比x：(1-x)精确称量，其中x的取值范围为0.00001～0.3，进行配料；

(2)将原料在玛瑙研钵中充分混合均匀后，使用油压机将其压成饼料，油压压力为180-250MPa，时长1.5-4.5min，然后放入高温退火炉中，1400℃-1700℃高温烧结20-26小时；

(3)将步骤(2)获得的饼料取出，装入长晶炉的坩埚中准备生长；

(4)充入高纯惰性气体作为保护气氛，按照如下生长步骤：升温化料、引晶、缩颈、放肩、等径生长以及收尾进行生长，而后缓慢降温至室温，获得掺铬钪酸钆单晶。

作为改进，步骤(3)中所用坩埚材料为钨或钼。

作为改进，步骤(3)中所用长晶炉的热场保温材料为石墨硬毡或软毡，加热器为石墨加热器。

有益效果：本发明提供的掺铬钪酸钆激光晶体，化学式为Gd(Sc_1-xCr_x)O₃，用于可调谐固态激光器中，还提供了对应的制备方法，采用导模法或提拉法，适用于钨或钼的坩埚，与现有的铱金坩埚热场制备方法相比具有低成本的优势，更有利于产业化。同时生成的晶体质量优良、机械性能适中。可调谐激光波段宽的特点，能够成

为一种可产业化、低成本且质量精度高的激光晶体生长方法。

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为导模法生长的棒状GdScO₃晶体的照片；

图2为导模法生长的片状GdScO3晶体的照片；

图3为0.1％Cr³⁺:GdScO₃、0.5％Cr³⁺:GdScO₃晶体室温下1000nm～1150nm发射光谱。

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。

钪酸钆(Cr³⁺:GdScO₃)晶体属于正交晶系，是一种较为理想的激光基质材料。声子能量低为452，有利于减少多声子弛豫发生的概率。钪离子(Sc³⁺)在晶格中与氧离子(O²⁺)形成八面体配位，可以被铬离子(Cr³⁺)取代，掺铬钪酸钆(Cr³⁺:GdScO₃)晶体有望成为一种新型的可调谐激光晶体材料。

本发明中晶体的化学式为Gd(Sc_1-xCr_x)O₃，其中x的取值范围为0.00001～0.3，该晶体属于正交晶系，a＝5.45，b＝5.75，c＝7.93。采用导模法或提拉法，生长气氛为高纯氩。生长出质量较好、尺寸较大的Cr³⁺:GdScO₃晶体，该晶体具有机械性能适中、可调谐激光波段宽的优点，是一种较好的可调谐激光晶体材料，其可调谐范围在650～1100nm之间。

实施例1

(1)初始原料采用纯度为4N或5N的Cr₂O₃、Sc₂O₃和Gd₂O₃，选定x的值，根据掺铬钪酸钆激光晶体分子式Gd(Sc_1-xCr_x)O₃，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，使用油压机将其压成饼料，油压压力为220MPa，时长3min，然后放入高温退火炉中，1550℃高温烧结24小时。(3)将(2)中获得的饼料取出，装入长晶炉的坩埚中准备生长。(4)充入高纯惰性气体作为保护气氛，按照如下生长步骤：升温化料、引晶、缩颈、放肩、等径生长以及收尾进行生长，而后缓慢降温至室温，获得掺铬钪酸钆单晶。

图1-2为生长的棒状GdScO₃、片状GdScO₃的外观图，图3对晶体进行性能测试实验，获得0.1％Cr³⁺:GdScO₃、0.5％Cr³⁺:GdScO₃晶体室温下1000nm～1150nm发射光谱，可得调谐范围在650～1100nm之间。该与现有技术相比，本发明掺铬钪酸钆激光晶体可采用钨或钼坩埚生长，与铱坩埚生长相比具有低成本优势。

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 (4)

1.一种掺铬钪酸钆激光晶体，其特征在于，该晶体的化学式为Gd(Sc_1-xCr_x)O₃，其中x的取值范围为0.00001～0.3。

2.一种如权利要求1所述的掺铬钪酸钆激光晶体的制备方法，其特征在于，该方法采用导模法或提拉法生长，具体步骤为：

(1)初始原料采用纯度为4N或5N的Cr₂O₃、Sc₂O₃和Gd₂O₃，选定x的取值后，根据掺铬钪酸钆激光晶体分子式Gd(Sc_1-xCr_x)O₃，按照摩尔比x：(1-x)精确称量，其中x的取值范围为0.00001～0.3，进行配料；

(2)将原料在玛瑙研钵中充分混合均匀后，使用油压机将其压成饼料，油压压力为180-250MPa，时长1.5-4.5min，然后放入高温退火炉中，1400℃-1700℃高温烧结20-26小时；

(3)将步骤(2)获得的饼料取出，装入长晶炉的坩埚中准备生长；

(4)充入高纯惰性气体作为保护气氛，按照如下生长步骤：升温化料、引晶、缩颈、放肩、等径生长以及收尾进行生长，而后缓慢降温至室温，获得掺铬钪酸钆单晶。

3.根据权利要求2所述的掺铬钪酸钆激光晶体的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所用坩埚材料为钨或钼。

4.根据权利要求2所述的掺铬钪酸钆激光晶体的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所用长晶炉的热场保温材料为石墨硬毡或软毡，加热器为石墨加热器。