CN1215204C - 掺铬硼酸镧钪可调谐激光晶体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可调谐激光晶体掺铬硼酸镧鈧晶体及其制备。采用提拉法(Czochralski方法)在1600℃左右生长出掺铬浓度在0.2at%～5at%之间，具有C2/C相结构的高温相Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体，该晶体可作为可调谐激光晶体，其可调谐范围在700～1200nm之间，用该晶体制成的固体激光器可用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域中。
Description
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的工作物质的激光晶体材料。
背景技术
所谓可调谐激光是指这样一种效应：由激光或泵浦灯激发掺入固体基质中的激活离子，以产生激光输出，采用棱镜调谐法、F-P标准具调谐法、光栅调谐法、滤光片调谐法和分布反馈系统调谐法等方法可获得可调谐的激光输出。
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(L.F.Johnson R.E.Dietz & H.J.Guggenheim，J.Phys.Rev.Lett.，11(1963)318)。随后出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，许多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，但它们也都存在一些难以避免的缺陷，使得它们的应用范围受到限制。
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(掺钛蓝宝石)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。目前国内外都在积极寻找调谐波段更宽、能够直接使用闪光灯和LD泵浦的可调谐激光晶体材料。
发明内容
本发明的目的就在于研制一种新的可调谐激光晶体，能够直接使用闪光灯和LD泵浦的、宽调谐的可调谐激光晶体材料。
LaSc3(BO3)4是一种很好的激光晶体基质材料，它具有多种不同的相结构，即C2/C空间群(属高温相)、R32空间群(属中温相)和CC空间群(属低温相)结构。具有C2/C结构的LaSc3(BO3)4晶体可以很方便的用提拉法生长，掺钕的具有C2/C结构的Nd3+:LaSc3(BO3)4晶体作为LD泵浦的激光晶体材料，其主要输出波长为1.06μm，已被德国的J-P.Meyn等人报道(J-P.Meyn，T.Jensen，G.Huber，IEEE J.Quantum Electronics，30(1994)：913)，获得了较好的实验结果。而掺铬的Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体作为可调谐激光晶体则未有报道。
本发明的Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体属于高温相，具有C2/C空间群结构。其中铬离子是作为掺杂离子，取代钪离子的晶格位置，铬的掺杂浓度在0.2at％～5at％之间，荧光寿命τ为17～120μs，其荧光寿命是铬离子浓度的函数，可根据不同的需要掺入不同浓度的铬离子。实验结果表明其可调谐范围在700～1200nm之间，可作为可调谐激光晶体。
本发明的Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体是采用提拉法生长的，其原料配比按化学反应式 的比例进行称样、混合、压片，其中Cr2O3则按所需浓度加入。所用的原料纯度和厂家分别为：
Cr2O3 99.95％ 中国医药集团上海化学试剂公司；
La2O3 99.99％ 中科院长春应用化学研究所；
Sc2O3 99.999％ 中科院长春应用化学研究所；
B2O3 99.999％ 北京化工厂。
晶体生长在铱金坩锅中进行、采用惰性气体(如N2、Ar等)保护，生长温度1600℃左右，提升速度为0.5～2.0mm/h，晶体转速为5～20r/min。
用以上原料和工艺生长出了高质量的具有C2/C空间群结构的Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体。
本发明的Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体可用提拉法非常容易地生长出质量优良的晶体，生长速度快，晶体质地坚硬，具有良好的导热性能，有优良的光学特性，很容易用闪光灯泵浦和LD泵浦获得激光输出，而且其可调谐范围宽，激光输出波长可在700～1200nm之间进行调谐，该晶体可作为一种较好的可调谐激光晶体。
从Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体的室温下的吸收光谱可见在400～530毫微米和580～750毫微米之间有两个强的吸收谱带，其峰值分别为480毫微米和680毫微米，两个吸收带宽均约为120多毫微米，而且可方便用闪光灯和LD进行泵浦，较宽的吸收峰有利于晶体对泵浦光的吸收，提高了输出功率。
从Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体的室温下的荧光光谱可见在955毫微米有很强的荧光发射，其峰宽为700～1200毫微米，其半峰宽为195毫微米左右，可在700～1200毫微米之间进行调谐。
从上所述可见，本发明的掺铬硼酸镧钪可调谐激光晶体，与目前正在使用的可调谐激光晶体，如：Cr3+:BeAl2O4(紫翠宝石)、Ti3+:Al2O3(掺钛蓝宝石)、Cr3+:LiCaAlF6、Cr3+:LiSrAlF6等晶体相比，具有能够直接从熔体中用提拉法生长出、生长速度快、晶体质量好、原料易得、可调谐激光波段宽、能够直接使用闪光灯和LD泵浦等诸多优点，因而用该晶体制成的固体激光器有望在许多应用方面，如在光谱学、生物医学、军事等诸多领域代替以上晶体。
具体实施方式
实施例1：提拉法生长具有C2/C空间群结构的高温相掺杂浓度为0.5at％Cr3+的Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体
在φ60×40mm3的铱金坩锅中，放入压好片的220g LaSc3(BO3)4原料，抽真空后，充入N2，采用提拉法，在1600℃，以1.0mm/h的提升速度，10rpm的晶体转速，生长出尺寸为φ18×21mm3具有C2/C相结构的高温相、高质量的淡绿色Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体。
实施例2：提拉法生长具有C2/C空间群结构的高温相掺杂浓度为5.0at％Cr3+的Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体
在φ60×40mm3的铱金坩锅中，放入压好片的200g LaSc3(BO3)4原料，抽真空后，充入Ar，采用提拉法，在1615℃，以1.5mm/h的提升速度，20rpm的晶体转速，生长出尺寸为φ20×25mm3具有C2/C相结构的高温相、高质量的墨绿色Cr3+:LaSc3(BO3)4晶体。
Claims (6)
1.一种掺铬硼酸镧钪可调谐激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Cr3+:LaSc3(BO3)4，具有C2/C空间群结构，属于高温相，其可调谐范围在700～1200nm之间。
2.如权利要求1所述的掺铬硼酸镧钪可调谐激光晶体，其特征在于：铬离子是作为掺杂离子，取代钪离子的晶格位置，其掺杂浓度在0.2at％～5at％之间。
3.如权利要求1所述的掺铬硼酸镧钪可调谐激光晶体，其特征在于：作为掺杂离子的铬离子其价态为+3价。
4.一种权利要求1的掺铬硼酸镧钪可调谐激光晶体的制备方法，其特征在于：采用提拉法，以La2O3、Sc2O3、B2O3和Cr2O3为原料，按化学反应式： 的比例称样、混合、压片，其中Cr2O3则按所需浓度加入，在铱金坩锅中、惰性气体气氛下提拉生长出晶体，晶体生长的参数为生长温度1600℃左右，提升速度为0.5～2.0毫米/小时，晶体转速为5～20转/分钟。
5.如权利要求4所述的掺铬硼酸镧钪可调谐激光晶体的制备方法，其特征在于：所述的惰性气体是N2或Ar。
6.一种权利要求1的掺铬硼酸镧钪可调谐激光晶体的用途，其特征在于：该晶体用于光谱学、生物医学、军事领域中的固体激光器。
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