CN115491765A - 一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤及其制备方法，该晶体的化学式为CaTmxY1‑xAlO4，式中，x为Tm3+掺杂Y3+位的原子百分含量，0.1at％≤x≤20at％。所述单晶光纤属于K2NiF4结构的四方晶系，空间群为I4/mmm，密度为4.64g/cm3，其晶胞参数为
和
以CaCO3、Y2O3、Al2O3、Tm2O3作为初始原料，经过充分研磨之后冷等静压机压制成块状，然后进行高温烧结；采用的生长方法为微下拉法，生长气氛为高纯氮气。本发明制得的晶体材料能实现高效的2μm波段激光输出，可应用于外科手术、大气传感、激光雷达和光通讯等领域。
Description
技术领域
本发明属于激光材料及其制备技术领域，具体涉及一种2μm波段单晶光纤及其制备方法，特别涉及一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展与进步，激光技术逐渐走进人们的生活。2μm波段激光处在水吸收和大气输出窗口，被广泛的应用于外科手术、材料加工、大气遥感和光信号通讯等领域，并且还能作为3-4μm波段固体激光器的泵浦源，因此，对2μm波段激光的进一步研究对于人们的生产生活具有重要的意义。
2μm波段激光的获取手段主要有两种：第一种是通过光参量振荡器(OPO)技术：利用成熟的1μm波段激光器泵浦非线性晶体，获得可调谐的2μm波段激光，此方法的技术路线复杂、实验成本高、不便调节；第二种技术是通过直接泵浦Tm3+、Ho3+以及Tm3+,Ho3+共掺晶体来获取2μm波段激光输出。这种方法相较于第一种方法，激光器的结构更加紧凑、能量转化效率更高、光束质量更好以及便于操作等。
Tm3+是目前2μm波段发展最成熟的激活离子，其800nm附近吸收峰与商用AlGaAs激光二极管高度匹配，大大提高了能量转换效率。同时，在两个相邻的Tm3+的3H4能级和3H6能级之间会发生交叉弛豫过程，使之掺Tm3+的激光器斜效率理论上可以接近80％。此外，Tm3+的3F4→3H6能级跃迁所产生的激光波长范围覆盖了1.8-2.1μm，具有300nm左右的可调谐范围，因此，掺Tm3+激光器也成为了1.8-2.1μm波长范围的可调谐激光器。
在众多的掺Tm3+的激光器晶体基质材料中，YLF、KY3F10、CaF2、LiLuF4等氟化物中均已实现了激光输出。采用Ti:Sapphire激光器泵浦4.7at.％Tm:KY3F10晶体，在1845.7nm处获得斜效率42.5％激光。使用LD侧面泵浦Tm:YLF晶体，多模运行下输出功率超过18W，斜率效率为37％。泵浦1.34at.％Tm:CaF2晶体，在1887nm处获得激光输出。在2at.％Tm:LiLuF4晶体获得10.4W功率输出的1916nm激光，斜效率为40.4％。但是，氟化物晶体的热学性能较差，这在很大程度上限制了其激光器向高功率方向进一步发展。相较于氟化物，氧化物拥有更好的热导率和热膨胀系数。在最常见的氧化物YAG中，Tm:YAG已经实现了100多瓦的连续激光输出。YAG晶体结构稳定，强度和硬度都很高。从最低温度到熔点的范围内，在固相中均不存在相变。但是，YAG是立方晶系，晶格结构有序，发射光谱窄，实现的锁模脉冲通常在ps级。想要达到fs级，需要对发射光谱进行展宽。对于有序晶体YAG来说，要想得到展宽的发射光谱只能通过升高温度获得均匀展宽，但是温度的升高会导致热透镜、激光损伤阈值降低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤及其制备方法，该方法能够生长出高光学质量的Tm:CALYO单晶光纤，该光纤能够实现高效的2μm波段激光输出，可应用于外科手术、大气传感、激光雷达和光通讯等领域。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤，其化学式为CaTmxY1-xAlO4，式中，x为Tm3+掺杂Y3+位的原子百分含量，0.1at％≤x≤20at％。
优选的，所述单晶光纤属于K2NiF4结构的四方晶系，空间群为I4/mmm，密度为4.64g/cm3，其晶胞参数为
和
本发明还提供一种上述掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，采用微下拉法进行晶体生长，包括以下步骤：
S1、以纯度均为99.999％的CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末为原料，按分子式CaTmxY1-xAlO4中对应元素的化学计量比称取各原料，其中x为Tm3+掺杂Y3+位的原子百分含量，0.1at％≤x≤20at％；
S2、将称取的各原料研磨至原料充分混合均匀，塑封成块状，使用冷等静压机压制成块状料胚；
S3、将块状料胚转移入刚玉坩埚中后放入马弗炉中进行高温烧结，自然冷却到室温后取出放入铱金坩埚中，装入由中频感应加热的微下拉炉中进行晶体生长；
所述晶体生长的温场的上部采用刚玉管作为保温罩，刚玉管外设有加热线圈；温场的下部设置有可升降的籽晶杆，籽晶杆的顶端设有籽晶，籽晶使用a向CALYO单晶，籽晶杆外套设有玻璃罩，玻璃罩的顶部设有多层垫片，垫片设有可使籽晶杆和籽晶穿过的中心孔，垫片上设置有具有支撑和保温作用的后热器；所述铱金坩埚放置于后热器上同时高度处在加热线圈范围中，所述刚玉管与后热器的壁面上均开设有大小一致、中心位置一致的可观察小孔，所述籽晶中心、铱金坩埚中心、加热线圈中心处在同一位置；
S4、启动机械泵对温场进行抽真空，充入高纯惰性气体作为保护性气体，升温两小时至1810℃，恒温15min至铱金坩埚内的料胚完全熔化，缓慢匀速上升籽晶至与铱金坩埚下端的尖嘴处接触稳定；再控制籽晶杆往下运动，阶段性提升拉速至目标拉速，稳定生长至结束，程序降温后冷却至室温，取出后进行切割得到Tm:CALYO单晶光纤。
优选的，步骤S2中，所述的研磨时间为45-60min，冷等静压为100MPa，保压时间为180s；步骤S3中，马弗炉的升温速率为150-200℃/h，并在1300℃下恒温20h。
优选的，步骤S3中，刚玉管的顶部设有用于加强保温的刚玉盖片，所述的刚玉管的外径规格为45mm，籽晶为规格3mm╳宽3mm╳高30mm的长方体。
优选的，步骤S3中，垫片由多层大垫片和顶部单层小垫片叠合组成，大垫片的壁面与玻璃罩相接触。
优选的，步骤S4中，启动机械泵对温场进行抽真空至炉内真空<10Pa，高纯惰性气体是指99.99％的氮气或氩气，充入高纯惰性气体是指充气至气压达到一个大气压。
优选的，步骤S4中，所述的缓慢匀速上升籽晶是指每半小时升高籽晶顶端与铱金坩埚下端的尖嘴处距离的1/4。
优选的，步骤S4中，上升籽晶与铱金坩埚下端的尖嘴处接触稳定是指完全接触时间为10min；所述的阶段性提升拉速为每5min拉速提升0.05mm，拉速升至目标拉速为0.3mm/min耗时1h。
优选的，步骤S4中，稳定生长指的是保持拉速为0.3mm/min和一个大气压恒定，程序降温为2h，冷却室温时间为1h。
与现有技术方案相比，本发明通过在CaYAlO4(CALYO)基质中掺杂稀土离子Tm3+，采用微下拉方法生长出Tm:CALYO单晶光纤。首先，本发明所采用的温场非常有利于单晶光纤的生长，温度梯度适宜，能够很好的消除单晶光纤内部的热应力，避免了单晶光纤的开裂，为单晶光纤的质量提供了保障；其次，选取的单晶光纤CALYO具有钙钛矿型结构，属于四方晶系，其声子能量在氧化物晶体中偏低，具有良好的物理和化学性能；另外，CALYO中的Ca2+和Y3+在晶格场中的无序分布，从而导致CALYO具有无序结构，进而使得掺杂的Tm3+发射光谱得到非均匀展宽，利于进行可调谐和超快激光操作。本发明制备得到的晶体材料能够实现高效的2μm波段激光输出，可应用于外科手术、大气传感、激光雷达和光通讯等领域。
附图说明
图1为本实施例1-4分别所制备得到的样品的X射线衍射图谱；
图2为本实施例1-4分别所制备得到的样品的室温吸收系数谱图，(a)实施例1、(b)实施例2、(c)实施例3、(d)实施例4；
图3为本实施例1-4分别所制备得到的样品的室温发射光谱图，(a)实施例1、(b)实施例2、(c)实施例3、(d)实施例4；
图4为本实施例1-4分别所制备得到的样品在793nm光激发下，3F4→3H6能级跃迁对应的荧光寿命谱图；
图5为本发明中晶体生长的温场装置示意图；
图中：1、铱金坩埚，2、刚玉管，3、加热线圈，4、籽晶杆，5、籽晶，6、玻璃罩，7、垫片，8、后热器，9、刚玉盖片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：微下拉生长CaTm0.02Y0.98AlO4的具体实施步骤如下：
S1、以纯度均为99.999％的CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末为原料，按分子式CaTm0.02Y0.98AlO4中对应元素的化学计量比称取CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末分别7.537g，8.333g，3.839g和0.291g；
S2、将称取的各原料粉末在玛瑙研钵中充分研磨45-60min，混合均匀，塑封成块状，通过冷等静压机在100MPa下压制180s制成块状料胚；
S3、将块状料胚转移入刚玉坩埚中后放入马弗炉中进行高温烧结，控制升温速率为150-200℃，升至1300℃保温20h，烧结结束，自然冷却到室温后取出料胚称量1g原料放入铱金坩埚1中，装入由中频感应加热的微下拉炉中进行晶体生长；
如图5所示，所述晶体生长的温场的上部采用刚玉管2作为保温罩，刚玉管2的外径规格为45mm，刚玉管2的顶部设有用于加强保温的刚玉盖片9，维持温场的稳定，刚玉管2外套设有加热线圈3；温场的下部设置有可升降的籽晶杆4，籽晶杆4的顶端设有用于给微下拉炉中铱金坩埚1内部熔体起定向作用的籽晶5，籽晶5为规格3mm╳宽3mm╳高30mm的长方体，籽晶5使用事先做好的a向CALYO单晶，籽晶杆4外套设有玻璃罩6，玻璃罩6的顶部设有多层垫片7，垫片7由四层大垫片和顶部单层小垫片叠合组成，大垫片的壁面与玻璃罩6相接触，小垫片上放置有具有支撑和保温作用的后热器8，后热器8呈中空结构且为耐高温的铱金材质，对铱金坩埚1起到支撑作用；垫片7设有可使籽晶杆4和籽晶5穿过的中心孔，所述铱金坩埚1放置于后热器8上同时高度处在加热线圈3范围中；所述刚玉管2与后热器8的壁面上均开设有大小一致、中心位置一致的可观察小孔，两个可观察小孔的中心偏移不超过1mm，所述籽晶5中心、铱金坩埚1中心、加热线圈3中心处在同一位置；控制籽晶5中心、铱金坩埚1中心和加热线圈3中心偏差不超过1mm；
S4、密封炉腔抽真空至5Pa，充入高纯氮气作为保护气体，防止铱金坩埚1的氧化，以800～900℃/h的升温速率升至1810℃，恒温15min使铱金坩埚1内的料胚完全熔化，缓慢匀速上升籽晶5至与铱金坩埚1下端的尖嘴处接触稳定，防止籽晶5上升过快开裂，再控制籽晶杆4往下运动，阶段性提升下拉速率至0.3mm/min，如果拉速过快会导致籽晶5与生长的晶体连接不牢，晶体内部容易形成缺陷而晶体开裂，稳定生长结束后即保持拉速为0.3mm/min和一个大气压恒定，程序降温2h，冷却至室温取出Tm:CALYO晶体。
结合图1、图2(a)、图3(a)和图4对生长的2at.％Tm:CALYO单晶光纤进行了晶体结构和光谱性能的分析，该单晶光纤的X射线粉末衍射(XRD)图谱与CALYO标准卡片高度吻合，没有二次相峰，说明Tm3+很好得取代了Y3+，并没有改变晶体内部结构，吸收在800nm附近，与商用的激光二极管(LD)匹配良好，同时发射峰处于2μm波段，荧光寿命为4.19ms，有利于获得2μm波段激光输出。
实施例2：微下拉生长CaTm0.03Y0.97AlO4的具体实施步骤如下：
S1、以纯度均为99.999％的CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末为原料，按分子式CaTm0.03Y0.97AlO4中对应元素的化学计量比称取CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末分别7.515g，8.223g，3.828g和0.435g；
S2、将称取的各原料粉末在玛瑙研钵中充分研磨45-60min，混合均匀，塑封成块状，通过冷等静压机在100MPa下压制180s制成块状料胚；
S3、将块状料胚转移入刚玉坩埚中后放入马弗炉中进行高温烧结，控制升温速率为150-200℃，升至1300℃保温20h，烧结结束，自然冷却到室温后取出料胚称量1g原料放入铱金坩埚1中，装入由中频感应加热的微下拉炉中进行晶体生长；如图5所示，所述晶体生长的温场同实施例一所述；
S4、密封炉腔抽真空至5Pa，充入高纯氮气作为保护气体，防止铱金坩埚1的氧化，以800～900℃/h的升温速率升至1810℃，恒温15min使原料完全熔化，缓慢匀速上升籽晶5至与铱金坩埚1下端的尖嘴处接触稳定，防止籽晶5上升过快开裂，再控制籽晶杆4往下运动，阶段性提升下拉速率至0.3mm/min，稳定生长结束后即保持拉速为0.3mm/min和一个大气压恒定，程序降温2h，冷却至室温取出Tm:CALYO晶体。
结合图1、图2(b)、图3(b)和图4对生长的3at.％Tm:CALYO单晶光纤进行了晶体结构和光谱性能的分析，该单晶光纤的XRD图谱与CALYO标准卡片高度吻合，没有二次相峰，说明Tm3+很好得取代了Y3+，并没有改变晶体内部结构，吸收在800nm附近，与商用的LD匹配良好，同时发射峰处于2μm波段，荧光寿命为3.74ms，有利于获得2μm波段激光输出。
实施例3：微下拉生长CaTm0.05Y0.95AlO4的具体实施步骤如下：
S1、以纯度均为99.999％的CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末为原料，按分子式CaTm0.05Y0.95AlO4中对应元素的化学计量比称取CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末分别7.470g，8.005g，3.805g和0.720g；
S2、将称取的各原料粉末在玛瑙研钵中充分研磨45-60min，混合均匀，塑封成块状，通过冷等静压机在100MPa下压制180s制成块状料胚；
S3、将块状料胚转移入刚玉坩埚中后放入马弗炉中进行高温烧结，控制升温速率为150-200℃，升至1300℃保温20h，烧结结束，自然冷却到室温后取出料胚称量1g原料放入铱金坩埚1中，装入由中频感应加热的微下拉炉中进行晶体生长；如图5所示，所述晶体生长的温场同实施例一所述；
S4、密封炉腔抽真空至5Pa，充入高纯氮气作为保护气体，防止铱金坩埚1的氧化，以800～900℃/h的升温速率升至1810℃，恒温15min使铱金坩埚1内的料胚完全熔化，缓慢匀速上升籽晶5至与铱金坩埚1下端的尖嘴处接触稳定，防止籽晶5上升过快开裂，再控制籽晶杆4往下运动，阶段性提升下拉速率至0.3mm/min，稳定生长结束后即保持拉速为0.3mm/min和一个大气压恒定，程序降温2h，冷却至室温取出Tm:CALYO晶体。
结合图1、图2(c)、图3(c)和图4对生长的5at.％Tm:CALYO单晶光纤进行了晶体结构和光谱性能的分析，该单晶光纤的XRD图谱与CALYO标准卡片高度吻合，没有二次相峰，说明Tm3+很好得取代了Y3+，并没有改变晶体内部结构，吸收在800nm附近，与商用的LD匹配良好，同时发射峰处于2μm波段，荧光寿命为3.55ms，有利于获得2μm波段激光输出。
实施例4：微下拉生长CaTm0.07Y0.93AlO4的具体实施步骤如下：
S1、以纯度均为99.999％的CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末为原料，按分子式CaTm0.07Y0.93AlO4中对应元素的化学计量比称取CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末分别7.426g，7.790g，3.782g和1.002g；
S2、将称取的各原料粉末在玛瑙研钵中充分研磨45-60min，混合均匀，塑封成块状，通过冷等静压机在100MPa下压制180s制成块状料胚；
S3、将块状料胚转移入刚玉坩埚中后放入马弗炉中进行高温烧结，控制升温速率为150-200℃，升至1300℃保温20h，烧结结束，自然冷却到室温后取出料胚称量1g原料放入铱金坩埚1中，装入由中频感应加热的微下拉炉中进行晶体生长；如图5所示，所述晶体生长的温场同实施例一所述；
S4、密封炉腔抽真空至5Pa，充入高纯氮气作为保护气体，防止铱金坩埚1的氧化，以800～900℃/h的升温速率升至1810℃，恒温15min使铱金坩埚1内的料胚完全熔化，缓慢匀速上升籽晶5至与铱金坩埚1下端的尖嘴处接触稳定，防止籽晶5上升过快开裂，再控制籽晶杆4往下运动，阶段性提升下拉速率至0.3mm/min，稳定生长结束后即保持拉速为0.3mm/min和一个大气压恒定，程序降温2h，冷却至室温取出Tm:CALYO晶体。
结合图1、图2(d)、图3(d)和图4对生长的7at.％Tm:CALYO单晶光纤进行了晶体结构和光谱性能的分析，该单晶光纤的XRD图谱与CALYO标准卡片高度吻合，没有二次相峰，说明Tm3+很好得取代了Y3+，并没有改变晶体内部结构，吸收在800nm附近，与商用的LD匹配良好，同时发射峰处于2μm波段，荧光寿命为2.90ms，有利于获得2μm波段激光输出。
Claims (10)
1.一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤，其特征在于，其化学式为CaTmxY1-xAlO4，式中，x为Tm3+掺杂Y3+位的原子百分含量，0.1at％≤x≤20at％。
2.根据权利要求1所述的所述一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤，其特征在于，所述单晶光纤属于K2NiF4结构的四方晶系，空间群为I4/mmm，密度为4.64g/cm3，其晶胞参数为
和
3.一种如权利要求1或2所述的掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，其特征在于，采用微下拉法进行晶体生长，包括以下步骤：
S1、以纯度均为99.999％的CaCO3粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、Tm2O3粉末为原料，按分子式CaTmxY1-xAlO4中对应元素的化学计量比称取各原料，其中x为Tm3+掺杂Y3+位的原子百分含量，0.1at％≤x≤20at％；
S2、将称取的各原料研磨至原料充分混合均匀，塑封成块状，使用冷等静压机压制成块状料胚；
S3、将块状料胚转移入刚玉坩埚中后放入马弗炉中进行高温烧结，自然冷却到室温后取出放入铱金坩埚(1)中，装入由中频感应加热的微下拉炉中进行晶体生长；
所述晶体生长的温场的上部采用刚玉管(2)作为保温罩，刚玉管(2)外设有加热线圈(3)；温场的下部设置有可升降的籽晶杆(4)，籽晶杆(4)的顶端设有籽晶(5)，籽晶(5)使用a向CALYO单晶，籽晶杆(4)外套设有玻璃罩(6)，玻璃罩(6)的顶部设有多层垫片(7)，垫片(7)设有可使籽晶杆(4)和籽晶(5)穿过的中心孔，垫片(7)上设置有具有支撑和保温作用的后热器(8)；所述铱金坩埚(1)放置于后热器(8)上同时高度处在加热线圈(3)范围中；所述刚玉管(2)与后热器(8)的壁面上均开设有大小一致、中心位置一致的可观察小孔，所述籽晶(5)中心、铱金坩埚(1)中心、加热线圈(3)中心处在同一位置；
S4、启动机械泵对温场进行抽真空，充入高纯惰性气体作为保护性气体，升温两小时至1810℃，恒温15min至铱金坩埚(1)内的料胚完全熔化，缓慢匀速上升籽晶(5)至与铱金坩埚(1)下端的尖嘴处接触稳定；再控制籽晶杆(4)往下运动，阶段性提升拉速至目标拉速，稳定生长至结束，程序降温后冷却至室温，取出后进行切割得到Tm:CALYO单晶光纤。
4.根据权利要求3所述的一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的研磨时间为45-60min，冷等静压为100MPa，保压时间为180s；步骤S3中，马弗炉的升温速率为150-200℃/h，并在1300℃下恒温20h。
5.根据权利要求3或4所述的一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，其特征在于，步骤S3中，刚玉管(2)的顶部设有用于加强保温的刚玉盖片(9)，所述的刚玉管(2)的外径规格为45mm，籽晶(5)为规格长3mm╳宽3mm╳高30mm的长方体。
6.根据权利要求3或4所述的一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，其特征在于，步骤S3中，垫片(7)由多层大垫片和顶部单层小垫片叠合组成，大垫片的壁面与玻璃罩(6)相接触。
7.根据权利要求3或4所述的一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，其特征在于，步骤S4中，启动机械泵对温场进行抽真空至炉内真空<10Pa，高纯惰性气体是指99.99％的氮气或氩气，充入高纯惰性气体是指充气至温场内气压达到一个大气压。
8.根据权利要求3或4所述的一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述的缓慢匀速上升籽晶(5)是指每半小时升高籽晶(5)顶端与铱金坩埚(1)下端的尖嘴处距离的1/4。
9.根据权利要求3或4所述的一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，其特征在于，步骤S4中，上升籽晶(5)与铱金坩埚(1)下端的尖嘴处接触稳定是指完全接触时间为10min；所述的阶段性提升拉速为每5min拉速提升0.05mm，拉速升至目标拉速为0.3mm/min耗时1h。
10.根据权利要求3或4所述的一种掺铥的铝酸钇钙2μm波段单晶光纤的制备方法，其特征在于，步骤S4中，稳定生长指的是保持拉速为0.3mm/min和一个大气压恒定，程序降温为2h，冷却室温时间为1h。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118326514A (zh) * | 2024-04-18 | 2024-07-12 | 江苏师范大学 | 一种掺钬和镨的钪酸钇3μm波段激光单晶光纤及其制备方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1556261A (zh) * | 2004-01-08 | 2004-12-22 | 上海交通大学 | 输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体及其制备工艺 |
| US20060165145A1 (en) * | 2005-01-25 | 2006-07-27 | Krupke William F | Diode-pumped ~812 nm thulium-doped solid state laser |
| CN101701355A (zh) * | 2009-11-25 | 2010-05-05 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 掺钕的铝酸钇钙激光晶体的提拉生长方法 |
| CN102051684A (zh) * | 2011-01-14 | 2011-05-11 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 铥钬共掺铝酸钇钙激光晶体的生长方法 |
| CN102094237A (zh) * | 2011-01-14 | 2011-06-15 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 掺钬铝酸钇钙激光晶体的生长方法 |
| CN102828247A (zh) * | 2011-06-17 | 2012-12-19 | 上海衍易电气设备科技有限公司 | 一种掺铒的铝酸钇钙激光晶体的制备方法 |
| CN110408994A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-11-05 | 南京同溧晶体材料研究院有限公司 | 一种掺谱钪酸钆可见波段激光晶体及其制备方法 |
| WO2021004108A1 (zh) * | 2019-07-11 | 2021-01-14 | 南京同溧晶体材料研究院有限公司 | 一种掺钕bgso混晶材料及其制备方法 |
-
2022
- 2022-10-27 CN CN202211324680.3A patent/CN115491765A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1556261A (zh) * | 2004-01-08 | 2004-12-22 | 上海交通大学 | 输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体及其制备工艺 |
| US20060165145A1 (en) * | 2005-01-25 | 2006-07-27 | Krupke William F | Diode-pumped ~812 nm thulium-doped solid state laser |
| CN101701355A (zh) * | 2009-11-25 | 2010-05-05 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 掺钕的铝酸钇钙激光晶体的提拉生长方法 |
| CN102051684A (zh) * | 2011-01-14 | 2011-05-11 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 铥钬共掺铝酸钇钙激光晶体的生长方法 |
| CN102094237A (zh) * | 2011-01-14 | 2011-06-15 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 掺钬铝酸钇钙激光晶体的生长方法 |
| CN102828247A (zh) * | 2011-06-17 | 2012-12-19 | 上海衍易电气设备科技有限公司 | 一种掺铒的铝酸钇钙激光晶体的制备方法 |
| CN110408994A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-11-05 | 南京同溧晶体材料研究院有限公司 | 一种掺谱钪酸钆可见波段激光晶体及其制备方法 |
| WO2021004078A1 (zh) * | 2019-07-11 | 2021-01-14 | 南京同溧晶体材料研究院有限公司 | 一种掺谱钪酸钆可见波段激光晶体及其制备方法 |
| WO2021004108A1 (zh) * | 2019-07-11 | 2021-01-14 | 南京同溧晶体材料研究院有限公司 | 一种掺钕bgso混晶材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WANYAN WANG ET AL.: "Study of single-crystal growth of Tm3+ : CaYAlO4 by the foating-zone method", 《JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH》, vol. 2000, no. 219, pages 56 - 60 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118326514A (zh) * | 2024-04-18 | 2024-07-12 | 江苏师范大学 | 一种掺钬和镨的钪酸钇3μm波段激光单晶光纤及其制备方法 |
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