CN1566413A - 硼酸钆锶激光晶体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及人工晶体领域，特别是涉及激光晶体掺钕硼酸钆锶(Nd3+:Sr3Gd(BO3)3)和掺镱硼酸钆锶(Yb3+:Sr3Gd(BO3)3)及其制备方法。该晶体属于三方晶系，空间群为R3，晶胞参数为a＝12.521，c＝9.255，V＝12523，Z＝6，密度4.67g/cm3；折射率为1.73。采用提拉法(Czochralski方法)生长出了高质量、较大尺寸的Nd3+:Sr3Gd(BO3)3和Yb3+:Sr3Gd(BO3)3晶体，其生长条件为生长温度约1320℃，晶体转速10－15转/分钟，提拉速度0.5－1.0毫米/小时。它们适合于采用激光二极管(LD)来泵浦。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。Yb离子由于能级结构简单，不存在上转换和激发态吸收，有高的光转换效率和长的荧光寿命，随着高功率InGaAs激光二激管的发展，Yb离子也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，Sr3Gd(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。目前还没有生长晶体的的报道。
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。
RE3+:Sr3Gd(BO3)3(其中RE＝Nd或Yb)晶体属于三方晶系，具有R
3空间群结构。其中钕或镱离子是作为掺杂离子，取代钆离子的晶格位置，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70μs，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，可作为激光工作物质。镱的掺杂浓度在0.05at％～20at％之间，掺杂浓度为15at％时，荧光寿命(τ)为2.14ms，可产生100fs以下的超短脉冲激光，也作为调谐激光晶体。
硼酸钆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：
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 |
| Yb2O3 | 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 |
| Gd2O3 | 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：生长温度在1320℃左右，晶体转速为10-15转/分钟，提拉速度为0.5-1.0毫米/小时。具体的生长过程见实施例。
将生长出的Nd3+:Sr3Gd(BO3)3和Yb3+:Sr3Gd(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
3，晶胞参数为a＝12.521Å，c＝9.255Å，V＝1252Å3，Z＝6，密度4.67g/cm3；采用油浸法测得其折射率为1.73。
将生长出的Nd3+:Sr3Gd(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+:Sr3Gd(BO3)3晶体的主吸收峰在807nm，其半峰宽为16nm，吸收跃迁截面为2.78×10-20cm2，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1060nm处的发射跃迁截面σem为1.61×10-19cm2，半峰宽(FWHM)为23.3nm，荧光寿命为70μs，
将生长出的Yb3+:Sr3Gd(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Yb浓度在15at％时，Yb3+:Sr3Gd(BO3)3晶体的主吸收峰在976nm，其半峰宽为7nm，吸收跃迁截面为6.57×10-21cm2，在976nm处较大的半峰宽非常适合于采用InGaAl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1020nm处的发射跃迁截面σem为2.3×10-21cm2，半峰宽(FWHM)为83nm，荧光寿命为2.14ms。
具体实施方式
实现本发明的优选方案如下：
实施例1、用提拉法(Czochralski方法)生长掺杂浓度为3.0at.％Nd3+的Sr3Gd(BO3)3激光晶体。
将按化学计量比准确称量好的Gd2O3、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1320℃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Φ30×35mm3的高质量的Nd3+:Sr3Gd(BO3)3晶体。经电子探针测出晶体中Nd离子浓度为1.336×1020cm-3。
实施例2、用提拉法(Czochralski方法)生长掺杂浓度为15.0at.％Yb3+的Sr3Gd(BO3)3激光晶体。
将按化学计量比准确称量好的Gd2O3、Yb2O3、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1320℃左右，晶体转速为15转/分钟，提拉速度为0.6毫米/小时的条件下，生长出了尺寸为Φ25×30mm3的高质量的Yb3+:Sr3Gd(BO3)3晶体。经电子探针测出晶体中Nd离子浓度为6.208×1020cm-3。
Claims (6)
1.一种硼酸钆锶激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为
RE3+:Sr3Gd(BO3)3(其中RE＝Nd或Yb)，属于三方晶系，空间群为R
3，晶胞参数为a＝12.521Å，c＝9.255Å，V＝1252Å3，Z＝6，密度4.67g/cm3，折射率1.73。
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，取代晶体中钆离子的格位，其掺杂浓度为0.05at-10at％。
3.如权利要求1所述的激光晶体，其特征在于：Yb3+离子作为掺杂离子，取代晶体中钆离子的格位，其掺杂浓度为0.05at-20at％。
4.一种权利要求1的激光晶体的制备方法，其特征在于：该晶体采用提拉法(Czochralski方法)生长，生长条件为：生长温度在1320℃左右，晶体转速为10-15转/分钟，提拉速度为0.5-1.0毫米/小时。
5.一种权利要求1的激光晶体的用途，其特征在于：用该晶体作为激光工作物质制造的激光器用于光谱学、生物医学、军事等领域中。
6.如权利要求5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(LD)作为泵浦源，激发产生1060nm波长的激光输出，或产生飞秒激光。
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