CN1318658C - 掺钕硼酸钇锶激光晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工晶体领域，特别是涉及一种激光晶体掺钕硼酸钇锶(Nd³⁺:Sr₃Y(BO₃)₃)及其制备方法和用途。采用提拉法(Czochralski方法)生长出了高质量、较大尺寸的Nd³⁺:Sr₃Y(BO₃)₃晶体。生长温度约1220℃左右，晶体转速为10—15转/分钟，提拉速度为1.0—1.5毫米/小时。该晶体属R³空间群，密度为4.2g/cm³，折射率1.72。光谱实验和计算表明，掺Nd浓度在3at%时，该晶体在807nm处有一强的吸收峰，半峰宽18nm，吸收截面2.17×10^-20cm²，适合于采用激光二极管(LD)来泵浦；另外，其在波长1061nm有强的荧光发射峰，发射跃迁截面为1.88×10^-19cm²，半峰宽20nm，易于产生波长为1061nm的激光输出，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

掺钕硼酸钇锶激光晶体及其制备方法

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。

背景技术

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，但是由于增益的限制、晶体生长困难、难于掺入激活离子、差的光谱性能、或差的热和机械性能等原因，大多数的激光晶体材料都不能真正投入实际应用中。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。硼酸盐类晶体具有较好的物理化学和机械性能，并容易生长出高质量的单晶，成为激光基质材料的热门之选。如YCOB、GdCOB、YAB等晶体，Sr₃Y₂(BO₃)₃化合物是双硼酸盐M₃Ln(BO₃)₃(M＝Ca，Sr，Ba以及Ln＝La-Lu，Y)系列化合物的一种，最初由固相合成法而得到粉末。

发明内容

本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激光晶体材料。

Nd³⁺:Sr₃Y(BO₃)₃晶体属于三方晶系，具有R

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0.05at％～10at％之间，掺杂浓度为3at％时，荧光寿命(τ)为73μs，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1061nm波长的激光，可作为激光工作物质。

掺钕硼酸钇锶是一种同成分的化合物，可采用提拉法(Czochralski方法)生长出大的单晶。

具体的化学反应如下：

(1-x)Y₂O₃+xNd₂O₃+2Sr₃CO₃+6H₃BO₃→2Sr₃Y_(1-x)/2Nd_x/2(BO₃)₃+2CO₂+9H₂O

所用的原料纯度及厂家如下：

药品名	纯度	厂家
			Nd2O3	99.99％	中科院长春应用化学研究所
SrCO3	99.9％	上海五四化学试剂厂
			Y2O3	99.99％	中科院长春应用化学研究所
H3BO3	99.9％	中国医药集团上海化学试剂公司

主要生长条件如下：生长是在铱坩锅中、惰性气体(如N₂、Ar等)气氛下进行，晶体生长的工艺参数为：生长温度约1220℃左右，晶体转速为10-15转/分钟，提拉速度为1.0-1.5毫米/小时。典型的生长过程见实施例。

将生长出的Nd³⁺:Sr₃Y(BO₃)₃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 ，晶胞参数为a＝12.48，c＝9.27，V＝1125³，Z＝6，密度4.2g/cm³；采用汕浸法测得其折射率为1.72。

将生长出的Nd³⁺:Sr₃Y(BO₃)₃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：掺Nd浓度在3at％时，Nd³⁺:Sr₃Y(BO₃)₃晶体的主吸收峰在807nm，其半峰宽为18nm，吸收跃迁截面为2.17×10^-20cm²，在807nm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1061nm处的发射跃迁截面σ_em为1.88×10^-19Cm²，半峰宽(FWHM)为20nm，荧光寿命为73μs。

本发明的Nd³⁺:Sr₃Y(BO₃)₃晶体可用提拉法生长出质量优良的晶体，晶体具有优良的光学特性，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1061nm，陔晶体可作为一种较好的激光晶体。

具体实施方式

实现本发明的优选方案如下：

用提拉法(Czochralski方法)生长掺杂浓度为3.0at.％Nd³⁺的Sr₃Y(BO₃)₃激光晶体。

将按化学计量准确称量好的Y₂O₃、Nd₂O₃、Sr₃CO₃、H₃BO₃混合，研磨均匀，压片后，在马弗炉中在900℃条件下固相合成24小时，再升温至1000℃固相合成24小时，将固相合成好的样品装入Φ70×50mm³的铱金坩埚并置于提拉炉中，采用提拉法，在N₂气氛中，生长温度为1220℃左右，晶体转速为10转/分钟，提拉速度为1.0毫米/小时的条件下，生长出了尺寸为Φ25×35mm³的高质量的Nd³⁺:Sr₃Y(BO₃)₃晶体。经电子探针测出晶体中Nd离子浓度为1.24×10²⁰cm^-3。

Claims (4)

1.一种掺钕硼酸钇锶激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Nd³⁺：Sr₃Y(BO₃)₃，属于三方晶系，空间群为 ，晶胞参数为a＝12.48，c＝9.27，V＝1125³，Z＝6，密度4.2g/cm³，折射率1.72。

2.如权利要求1所述的激光晶体，其特征在于：Nd³⁺离子作为掺杂离子，取代晶体中钇离子的格位，其掺杂浓度范围为0.05at-10at％。

3.一种权利要求1的激光晶体的制备方法，其特征在于：该晶体采用提拉法生长，其生长温度在1220℃，晶体转速为10-15转/分钟，提拉速度为1.0-1.5毫米/小时。

4.如权利要求l所述的激光晶体的用途，其特征在于：用该晶体制造的固体激光器，使用闪光灯或激光二极管作为泵浦源，激发产生1061nm波长的激光输出。