CN1259463C - 掺钕硼酸钪锶钇激光晶体及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
掺钕硼酸钪锶钇激光晶体及其制备方法和用途,涉及人工晶体领域,特别是涉及一种激光晶体掺钕硼酸钪锶钇(Nd3+:YSr6Sc(BO3)6)及其制备方法和用途。采用熔盐法,以Li6B4O9或LiBO2-LiF为助熔剂,在950~835℃温度区间内,以5~20转/分钟的晶体转速,1~4℃/天的降温速率,生长出了高质量、较大尺寸的Nd3+:YSr6Sc(BO3)6晶体。该晶体属三方晶系,R3空间群,密度为4.376g/cm3,折射率1.73。光谱计算表明,该晶体在808nm处有一强的吸收峰,吸收系数为2.71cm-1,半峰宽4.1nm,吸收截面1.47×10-20cm2,适合于采用激光二极管(LD)来泵浦;另外,其在波长1060nm有强的荧光发射峰,发射跃迁截面为1.814×10-20cm2,半峰宽28nm,易于产生波长为1060nm的激光输出,并有望获得实际应用。
Description
掺钕硼酸钪锶钇激光晶体及其制备方法和用途,涉及光电子功能材料技术领域中的人工晶体和晶体生长领域,尤其是涉及一种作为固态激光器中的工作物质的激光晶体材料。
掺钕硼酸钪锶钇激光晶体及其制备方法和用途,固体激光工作物质由基质材料和激活离子组成,其各种物理和化学性质主要由基质材料决定,而其光谱特性和荧光寿命等则由激活离子的能级结构决定。自1960年,研制成功人造红宝石脉冲激光器以来,迄今为止,已发现了数百种激光晶体,但因各种原因,能真正得到实际应用的激光晶体只有十来种。
目前,应用最广泛的激光晶体是掺钕离子的钇铝石榴石(YAG)晶体,其具有较好的各种物理和化学性能,且易于生长出高光学质量、大尺寸的优质晶体。但它存在着吸收谱线窄,不适宜于用LD来进行泵浦的缺点,而LD泵浦将是今后激光泵浦源的发展方向。
目前国内外都在积极寻找各种物理、化学性能和机械性能优异,且易于生长出高光学质量、大尺寸的优质激光晶体材料,而且该晶体要适合于LD泵浦。钕离子由于具有较好的光谱性能,广泛地被用作激活离子;而硼酸盐由于具有较好的物理化学和机械性能,也成为激光基质材料的热门之选。
掺钕硼酸钪锶钇激光晶体及其制备方法和用途,其发明的目的就在于研制一种新的激光晶体,能够直接使用闪光灯和LD泵浦的,具有较高转换效率的、能发射1060nm波长激光的晶体材料。
本发明的Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体属于三方晶系,具有R
3空间群结构。其中钕离子是作为掺杂离子,取代钇离子的晶格位置,钕的掺杂浓度在0.5at%~15at%之间,荧光寿命(τ)为50~210μs,其荧光寿命是钕离子浓度的函数,可根据不同的需要掺入不同浓度的钕离子。实验结果表明其可输出1060nm波长的激光,可作为激光晶体。
我们经过实验找到了生长Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体的较理想的助熔剂:Li6B4O9或LiBO2-LiF,以及最佳的生长条件,并生长出了高质量的Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体(见实施例1和2)。具体的化学反应式如下:
所用的原料纯度及厂家如下:
药品名 | 纯度 | 厂家 |
Nd2O3 | 99.999% | 中科院长春应用化学研究所 |
Y2O3 | 99.999% | 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 |
Sr2CO3 | 99.99% | 上海五四化学试剂厂 |
H3BO3 | 99.99% | 中国医药集团上海化学试剂公司 |
Li2CO3 | 99.99% | 汕头市光华化学厂 |
LiF | 99.95% | 广州化学试剂厂 |
助熔剂方法生长掺钕硼酸钪锶钇激光晶体,其主要生长条件如下:所用助熔剂为Li6B4O9或LiBO2-LiF,其中LiBO2和LiF的重量比为(75~95)∶(25~5),助熔剂总的浓度控制在15wt.~60wt.%之间,生长温度在950~835℃温度区间内,降温速率为1~4℃/天,晶体转速为5~20转/分钟。
将生长出的Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体,在四圆衍射仪上进行了衍射数据的收集,结构分析表明,其属于三方晶系,空间群为R
3,晶胞参数为a=12.306(3)Å,c=9.269(3)Å,V=1215.6(5)Å3,密度4.376g/cm3;采用油浸法测得其折射率为1.73。
将生长出的Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体,进行吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命等的分析测试,结果表明:Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体的主吸收峰在808nm,吸收系数为2.71cm-1,半峰宽(FWHM)4.1nm,吸收跃迁截面1.47×10-20cm2,在808nm处较大的半峰宽非常适合于采用AsGaAl半导体激光来进行泵浦,有利于激光晶体对泵浦光的吸收,提高泵浦效率。其在1060nm处有最强的荧光发射峰,其发射跃迁截面σem为1.814×10-20cm2,半峰宽为17nm,荧光寿命为120μs,因为荧光寿命长的晶体能在上能级积累更多的粒子,增加了储能,有利于器件输出功率和输出能量的提高。因此,Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体能得到较大的输出,是一种高转换效率、低成本、高光学质量和有实际应用前景及使用价值的激光晶体。
本发明的Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体可用熔盐法非常容易地生长出质量优良的晶体,生长工艺稳定,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,激光输出波长为1060nm,该晶体可作为一种较好的激光晶体。
掺钕硼酸钪锶钇激光晶体及其制备方法和用途,实现本发明的优选方式如下:
实施例1:以Li6B4O9为助熔剂生长Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6激光晶体
生长原料为YSr6Sc(BO3)6∶Li6B4O9=75∶25(重量比),掺入8at%的Nd3+离子。采用熔盐顶部籽晶法,在φ60×50mm铂坩锅中,生长温度为950~835℃之间,以2℃/天的降温速率,15转/分钟的晶体转速,生长出了尺寸为35×28×13mm3的高质量的Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体。经电子探针分析表明晶体中Nd3+离子含量为6.3at%。
实施例2:以LiBO2-LiF为助熔剂生长Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6激光晶体
生长原料为YSr6Sc(BO3)6∶LiBO2∶LiF=75∶20∶5(重量比),掺入5at%的Nd3+离子。采用熔盐顶部籽晶法,在φ60×50mm铂坩锅中,生长温度为950~835℃之间,以3℃/天的降温速率,20转/分钟的晶体转速,生长出了尺寸为30×25×16mm3的高质量的Nd3+∶YSr6Sc(BO3)6晶体。经电子探针分析表明晶体中Nd3+离子含量为4.1at%。
Claims (5)
1.一种掺钕硼酸钪锶钇激光晶体,其特征在于:该晶体的分子式为Nd3+:YSr6Sc(BO3)6,属于三方晶系,空间群为R
3,晶胞参数为a=12.306(3)Å,c=9.269(3)Å,V=1215.6(5)Å3,Dc=4.376g/cm3,折射率1.73。
2.如权利要求1所述的掺钕硼酸钪锶钇激光晶体,其特征在于:在该晶体中,Nd3+离子作为掺杂离子,取代晶体中Y3+离子的晶格位置,其掺杂浓度在0.5at~15at%之间。
3.一种权利要求1的掺钕硼酸钪锶钇激光晶体的制备方法,其特征在于:该晶体采用熔盐法生长,所用助熔剂为Li6B4O9,助熔剂浓度控制在15wt.~60wt.%之间,生长温度在950~835℃温度区间内,降温速率为1~4℃/天,晶体转速为5~20转/分钟。
4.一种权利要求1的掺钕硼酸钪锶钇激光晶体的制备方法,其特征在于:该晶体采用熔盐法生长,所用助熔剂为LiBO2-LiF,LiBO2和LiF的重量比为(75~95)∶(25~5),助熔剂浓度控制在15wt.~60wt.%之间,生长温度在950~835℃温度区间内,降温速率为1~4℃/天,晶体转速为5~20转/分钟。
5.一种权利要求1的掺钕硼酸钪锶钇激光晶体的用途,其特征在于:该晶体用于固体激光器中作为激光工作物质,使用闪光灯或激光二极管LD作为泵浦源,激发产生1060nm波长的激光输出。
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