CN112921398A - 一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体及其制备方法与应用 - Google Patents

一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体及其制备方法与应用，涉及激光晶体技术领域。本发明晶体选取氟化物作为基质材料，铁离子作为激活离子，发光范围位于中红外波段，三价钬离子两激发态之间的能级跃迁发出的荧光光谱与二价铁离子的吸收光谱匹配度非常高，所以选取三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子，以实现高功率的中红外激光输出。该晶体可以用于3～5微米中红外激光输出，在激光光谱学、激光医疗、卫星传感、环境监测、军事对抗、分子检测等领域有着重要的应用价值和前景。

Description

一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体及其制备方法 与应用
技术领域
本发明涉及激光晶体技术领域，具体涉及一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体及其制备方法与应用。
背景技术
中红外波段激光在大气传输过程中衰减小，同时覆盖了许多原子、分子的吸收峰，被称为红外第二大气窗区，在激光雷达、遥感、医疗诊断、环境监测、空间光通讯、激光光谱学、医疗美容、工业加工以及光电对抗等领域均有重要的应用。目前实现中红外激光发射的主要方式有:利用倍频或者差频技术、采用光参量振荡的方法、量子级联激光器、直接抽运能实现中红外激光输出的掺杂稀土离子的激光晶体或者光纤等方法。
本发明旨在寻找能够直接泵浦产生中红外激光的激光材料。铁离子掺杂的激光晶体是输出中红外波段激光的有效激光材料之一，其晶体具有超宽的吸收光谱和荧光光谱，在中红外波段具有良好的宽带可调谐与高脉冲能量输出特性。选取氟化物为基质晶体，其热稳定性良好、声子能量低、储能高，有利于实现高效率的中红外激光辐射。然而目前基于铁离子实现有效的中红外激光输出的发展相对滞后，主要原因为：泵浦源局限于2.7～3.0微米的中红外激光器，该类激光器的泵浦系统复杂、稳定性差、激光输出能量低、效率低。
因此，研究开发输出3～5微米中红外波段的激光材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体。该激光晶体可以用于中红外波段的激光输出，在激光光谱学、激光医疗、卫星传感、环境监测、军事对抗、分子检测等领域有着重要的应用价值和前景。
本发明的目的可以通过如下技术方案达到：
一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体，所述激光晶体选取氟化物作为基质材料，二价铁离子作为激活离子，发光范围位于中红外波段，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子。
所述激光晶体在激光器泵浦下，钬离子有效吸收能量，其能级跃迁的能量在基质材料声子能量的辅助下，发生从钬离子到铁离子的能量传递，将能量传递给铁离子，实现钬离子的敏化功能，使晶体适合激光器泵浦。
所述激光晶体的掺杂离子浓度配比如下：铁离子的掺杂浓度范围为：0.1～50mol％，钬离子的掺杂浓度范围为：0.1～20mol％。
所述氟化物为除了氟化钬和氟化亚铁之外的AFn型氟化物或AmBnFp型氟化物。
所述AFn型氟化物包括但不限于氟化钇、氟化钡、氟化锂、氟化铅、氟化钙、氟化镁等。
所述AmBnFp型氟化物包括但不限于氟化钇钡、氟化钇锂等。
所述激光晶体用于实现3～5微米中红外波段的激光输出。
上述以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体的制备方法，包括以下步骤：选取氟化钬、氟化亚铁以及一种或多种除氟化钬和氟化亚铁之外的氟化物为原料，按照掺杂离子浓度配比进行配料，混合，研磨，使用坩埚下降法进行晶体生长，获得目标产物。
优选的，为提高晶体质量，所有原料的纯度均达到99.999％。
优选的，所述的坩埚下降法的具体操作如下：将研磨好原料放入石墨管内；将配好的石墨管放进炉管中，炉管密封后抽真空；调整程序，使其处于相应的生长温度，设置20～50℃/cm的温度梯度进行生长；生长完成后将炉管打开，取出石墨管，取出晶体，即可。
上述以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体在制备固体激光器中的应用。
一种固体激光器，采用上述以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体为激光工作物质，采用闪光灯或激光二极管(LD)作为泵浦源。
所述固体激光器输出1120～1180nm或860～890nm波段的激光。
上述以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体或固体激光器的应用，包括在激光光谱学、激光医疗、卫星传感、环境监测、军事对抗或分子检测等领域中的应用。
所述激光晶体，在1150nm激光器的泵浦下，将加工尺寸为5×5×1mm3的样品进行光谱测试，成功测试到中红外荧光发射光谱曲线。
本发明相对现有技术具有如下的优点和效果：
本发明提出通过三价钬离子掺杂来敏化二价铁离子的掺杂方法，使晶体适合商用的激光器，钬离子的荧光输出与铁离子的本征吸收匹配，使得能量通过钬离子的敏化高效传输，进而提高铁离子激活中红外激光晶体的荧光输出效率。
附图说明
图1是本发明以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体中铁离子、钬离子的能级跃迁示意简图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚、完整地描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例公开了一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体，选取氟化铅作为基质材料，该类晶体的基质材料声子能量低，更有利于实现中红外波段的激光输出。二价铁离子作为激活离子，发光范围位于中红外波段，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子。如图1所示：采用1150nm或890nm的激光器作为泵浦源，钬离子的能级跃迁的能量在基质材料声子能量的辅助下，发生从钬离子到铁离子的能量传递，将能量传递给铁离子，实现钬离子的敏化功能，使晶体适合激光器泵浦。
对于该晶体，选取纯度为99.999％的氟化铅、氟化钬、氟化亚铁，使用坩埚下降法进行生长，其中掺杂浓度配比为：二价铁离子的掺杂浓度为2mol％，三价钬离子的掺杂浓度为2mol％，成功生长出缺陷小、无开裂、质量良好的铁钬共掺激光晶体后，加工尺寸为5×5×1mm3的样品进行光谱测试，在1150nm的激光器泵浦下，成功测试到3.0～5.0微米中红外荧光发射光谱曲线，证明了钬离子对铁离子的敏化作用，成功实现了铁离子激活的激光晶体上直接激光器激发产生中红外波段荧光发射，具有重要的研究价值。
实施例2
选取氟化铅作为基质材料，该类晶体的基质材料声子能量低，更有利于实现中红外波段的激光输出。二价铁离子作为激活离子，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子，采用1150nm或者890nm的激光器作为泵浦源。
选取纯度为99.999％的氟化铅、氟化钬、氟化亚铁，掺杂浓度配比为：二价铁离子的掺杂浓度为5mol％，三价钬离子的掺杂浓度为3mol％。按照浓度配比研磨原料，然后使用坩埚下降法进行生长，成功生长出质量良好的铁钬共掺激光晶体。具体操作如下：将研磨好原料放入石墨管内；将配好的石墨管放进炉管中，炉管密封后抽真空；调整程序，使其处于980℃，设置30℃/cm的温度梯度进行生长；生长完成后将炉管打开，取出石墨管，取出晶体，即可。
实施例3
选取氟化钇钡作为基质材料，该晶体的基质材料声子能量低，更有利于实现中红外波段的激光输出。二价铁离子作为激活离子，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子，采用1150nm或者890nm的激光器作为泵浦源。
选取纯度为99.999％的氟化钡、氟化钇、氟化钬、氟化亚铁，其中掺杂浓度配比为：二价铁离子的掺杂浓度为2mol％，三价钬离子的掺杂浓度为1mol％，按照浓度配比研磨好原料，使用坩埚下降法进行生长。具体操作如下：将研磨好原料放入石墨管内；将配好的石墨管放进炉管中，炉管密封后抽真空；调整程序，使其处于1100℃，设置25℃/cm的温度梯度进行生长；生长完成后将炉管打开，取出石墨管，取出晶体，即可。
实施例4
选取氟化钇钡作为基质材料，该晶体的基质材料声子能量低，更有利于实现中红外波段的激光输出。二价铁离子作为激活离子，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子，采用1150nm或者890nm的激光器作为泵浦源。
选取纯度为99.999％的氟化钡、氟化钇、氟化钬、氟化亚铁，其中掺杂浓度配比为：二价铁离子的掺杂浓度为6mol％，三价钬离子的掺杂浓度为4mol％。按照浓度配比研磨原料，然后使用坩埚下降法进行生长。具体操作如下：将研磨好原料放入石墨管内；将配好的石墨管放进炉管中，炉管密封后抽真空；调整程序，使其处于1100℃，设置28℃/cm的温度梯度进行生长；生长完成后将炉管打开，取出石墨管，取出晶体，即可。
实施例5
选取氟化钙作为基质材料，该晶体的基质材料声子能量低，更有利于实现中红外波段的激光输出。二价铁离子作为激活离子，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子，采用1150nm或者890nm的激光器作为泵浦源。
选取纯度为99.999％的氟化钙、氟化钬、氟化亚铁，其中掺杂浓度配比为：二价铁离子的掺杂浓度为2mol％，三价钬离子的掺杂浓度为2mol％。按照浓度配比研磨原料，然后使用坩埚下降法进行生长。具体操作如下：将研磨好原料放入石墨管内；将配好的石墨管放进炉管中，炉管密封后抽真空；调整程序，使其处于1500℃，设置30℃/cm的温度梯度进行生长；生长完成后将炉管打开，取出石墨管，取出晶体，即可。
实施例6
选取氟化钙作为基质材料，该晶体的基质材料声子能量低，更有利于实现中红外波段的激光输出。二价铁离子作为激活离子，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子，采用1150nm或者890nm的激光器作为泵浦源
选取纯度为99.999％的氟化钙、氟化钬、氟化亚铁，使用坩埚下降法进行生长。其中掺杂浓度配比为：二价铁离子的掺杂浓度为8mol％，三价钬离子的掺杂浓度为5mol％。按照浓度配比研磨原料，然后使用坩埚下降法进行生长。具体操作如下：将研磨好原料放入石墨管内；将配好的石墨管放进炉管中，炉管密封后抽真空；调整程序，使其处于1500℃，设置35℃/cm的温度梯度进行生长；生长完成后将炉管打开，取出石墨管，取出晶体，即可。
实施例7
选取氟化钇锂作为基质材料，该晶体的基质材料声子能量低，更有利于实现中红外波段的激光输出。二价铁离子作为激活离子，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子，采用1150nm或者890nm的激光器作为泵浦源。
选取原料为纯度为99.999％的氟化钇、氟化锂、氟化钬、氟化亚铁，其中掺杂浓度配比为：二价铁离子的掺杂浓度为2mol％，三价钬离子的掺杂浓度为2mol％。按照浓度配比研磨原料，然后使用坩埚下降法进行生长。
实施例8
选取氟化钇锂作为基质材料，该晶体的基质材料声子能量低，更有利于实现中红外波段的激光输出。二价铁离子作为激活离子，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子，采用1150nm或者890nm的激光器作为泵浦源。
选取原料为纯度为99.999％的氟化钇、氟化锂、氟化钬、氟化亚铁，其中掺杂浓度配比为：二价铁离子的掺杂浓度为10mol％，三价钬离子的掺杂浓度为5mol％。按照浓度配比研磨原料，然后使用坩埚下降法进行生长。具体操作如下：将研磨好原料放入石墨管内；将配好的石墨管放进炉管中，炉管密封后抽真空；调整程序，使其处于960℃，设置38℃/cm的温度梯度进行生长；生长完成后将炉管打开，取出石墨管，取出晶体，即可。
综上所述，本发明首次提出了以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体，其中钬离子的敏化作用使得该激光晶体既适合激光器的泵浦又能增强中红外波段的荧光发射，而且氟化物作为基质材料，更有利于中红外的荧光发射。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。

Claims (10)

1.一种以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体，其特征在于：所述激光晶体选取氟化物作为基质材料，二价铁离子作为激活离子，发光范围位于中红外波段，三价钬离子作为二价铁离子的敏化离子。
2.根据权利要求1所述的以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体，其特征在于：
所述激光晶体的掺杂离子浓度配比如下：铁离子的掺杂浓度范围为：0.1～50mol％，钬离子的掺杂浓度范围为：0.1～20mol％。
3.根据权利要求1或2所述的以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体，其特征在于：
所述氟化物为除了氟化钬和氟化亚铁之外的AFn型氟化物或AmBnFp型氟化物。
4.根据权利要求3所述的以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体，其特征在于：
所述AFn型氟化物包括但不限于氟化钇、氟化钡、氟化锂、氟化铅、氟化钙、氟化镁；
所述AmBnFp型氟化物包括但不限于氟化钇钡、氟化钇锂。
5.根据权利要求1或2所述的以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体，其特征在于：
所述激光晶体用于实现3～5微米中红外波段的激光输出。
6.权利要求1～5任一项所述的以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体的制备方法，其特征在于：
选取氟化钬、氟化亚铁以及一种或多种除氟化钬和氟化亚铁之外的氟化物为原料，按照掺杂离子浓度配比进行配料，混合，研磨，使用坩埚下降法进行晶体生长，获得目标产物。
7.权利要求1～5任一项所述的以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体在制备固体激光器中的应用。
8.一种固体激光器，其特征在于：采用权利要求1～5任一项所述的以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体为激光工作物质，采用闪光灯或激光二极管作为泵浦源。
9.根据权利要求8所述的固体激光器，其特征在于：
所述固体激光器输出1120～1180nm和/或860～890nm波段的激光。
10.权利要求1～5任一项所述的以氟化物为基质材料的铁钬共掺激光晶体或权利要求8～9任一项所述的固体激光器的应用，其特征在于：
所述的应用为在激光光谱学、激光医疗、卫星传感、环境监测、军事对抗或分子检测领域中的应用。
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CN115261986A (zh) * 2022-04-21 2022-11-01 同济大学 一种钬镨共掺氧化钪中红外波段激光晶体及其制备方法和应用

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