CN1664177A - 一种偏硼酸盐激光晶体及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种偏硼酸盐激光晶体及其制备方法和用途，涉及激光晶体材料领域。该类晶体的分子式为R_xM_1－x (BO₂) ₃，M为稀土或三价过渡金属元素中某一元素或若干元素的组合，R³⁺作为激活离子，为适量掺杂的替代M³⁺离子位置的过渡金属或稀土离子。该类激光晶体物化性能稳定、在空气中不潮解、可用提拉法生长、制备成本较低。

Description

一种偏硼酸盐激光晶体及其制备方法和用途

                          技术领域

本发明涉及激光晶体领域，尤其是涉及可应用于固体激光的一类偏硼酸盐晶体及其生长制备。

                          背景技术

固体激光器具有器件紧凑、激光光束质量高、运行稳定可靠等优点。目前的固体激光器大多采用激光晶体作为其工作物质。激光晶体一般由基质晶体和激活离子(过渡族或稀土离子)两部分构成。基质晶体一方面是一个分散固定激活离子的“支架”，它使激活离子的相互作用不致太强，保证了激光发射所要求的线状光谱特性；另一方面它在激活离子光谱线的位移、分裂、加宽、能量转移以及激光发射不可少的辐射和无辐射过程中起着重要作用。目前，研究较多的硼酸盐激光基质晶体主要有YAl₃(BO₃)₄、GdAl₃(BO₃)₄、YCa₄O(BO₃)₃、GdCa₄O(BO₃)₃等。这些晶体的物化性能稳定，制备成本低廉，因而受到广泛的关注。

                          发明内容

本发明的激光晶体的分子式为R_xM_1-x(BO₂)₃，其中M为稀土或三价过渡金属元素，即为Ti、Cr、Y、Sc、以及镧系元素中某一元素或若干元素的组合，R³⁺为根据泵浦源、激光腔和应用需要等因素确定的部分替代晶体基质中M³⁺离子位置的某种稀土或过渡金属离子(R＝Ti、Cr、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等)，一般称之为激活离子，x的值可以根据掺杂离子种类和激光运转需要在0到1之间变化。该类激光晶体的分子式也可写成R³⁺:M(BO₂)₃，该类晶体属于单斜晶系，空间群为I2/a。该晶体在空气中不潮解。该类晶体除了镧系或过渡金属元素带来的特征谱线外，在300nm至3000nm波段透明。

该类激光晶体还可进一步掺杂其他的过渡族或稀土离子作为敏化剂，以提高激光运转效率。

本发明采用如下生长制备工艺：称取符合R_xM_1-x(BO₂)₃摩尔比的稀土或三价过渡金属氧化物M₂O₃、过渡族或稀土氧化物R₂O₃和过量2.0mol％左右的B₂O₃一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀。用油压机以2.5吨/cm²的压强压成薄片，装入在晶体生长温度区间不出现变形、软化和与晶体组分起化学反应的金属、合金或氧化物等耐高温材料制造的坩锅，分别在450℃和950℃各烧结数小时。烧结好的原料熔化后，将装料的坩锅置于晶体提拉生长炉中，调整控制熔化温度及恒温时间。生长的条件为：熔化温度1140℃左右，在高出熔化温度20℃左右恒温2小时，缓慢降温至熔点以上5℃左右，引入籽晶。经引种、放肩、等径生长，拉速1.5～2mm/h，转速20～40rpm，纵向的固液界面温度差为10～50℃，最后退火完成生长过程，获得满足激光工作需要的高光学质量单晶体。

本发明的R_xM_1-x(BO₂)₃类晶体具有良好的光学、机械和热导性能，较高的化学稳定性，而且便于生长。该类晶体可作为固体激光器的工作介质，被闪光灯、半导体激光或其他光源泵浦而输出固体激光。

                        具体实施方式

实例1：称取2.48g的Nd₂O₃、117.6g的La₂O₃和78.5g的B₂O₃，将这三种原料一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀，用油压机以2.5吨/cm²的压强压成薄片，分别在450℃和950℃各烧结数小时。烧结好的原料装入φ40×40mm³的铂坩埚熔化后，将装料的坩锅置于晶体提拉生长炉中。生长的条件为：熔化温度1140℃左右，在高出熔化温度20℃左右恒温2小时，缓慢降温至熔点以上5℃左右，引入籽晶。经引种、放肩、等径生长，拉速1.5～2mm/h，转速20～40rpm，纵向的固液界面温度差为10～50℃，最后退火完成生长过程。生长得到尺寸大于φ15×20mm³的Nd_0.02La_0.98(BO₂)₃优质透明单晶。该晶体在空气中不潮解，其单胞参数为a＝7.956，b＝8.161，c＝6.499，α＝γ＝90°，β＝93.63°。该晶体在1061nm处的发射截面为1.5×10^-19cm²，荧光寿命在60～70微秒之间，利用波长为632.8nm的氦氖激光测量，其折射率为n_a＝1.66，n_b＝1.77。

实例2：称取2.82g的Er₂O₃、117.6g的La₂O₃和78.5g的B₂O₃，将这三种原料一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀，用油压机以2.5吨/cm²的压强压成薄片，分别在450℃和950℃各烧结数小时。烧结好的原料装入φ40×40mm³的铂坩埚熔化后，将装料的坩锅置于晶体提拉生长炉中。生长的条件为：熔化温度1140℃左右，在高出熔化温度20℃左右恒温2小时，缓慢降温至熔点以上5℃左右，引入籽晶。经引种、放肩、等径生长，拉速1.5～2mm/h，转速20～40rpm，纵向的固液界面温度差为10～50℃，最后退火完成生长过程。生长得到尺寸大于φ15×20mm³的Er_0.02La_0.98(BO₂)₃优质透明单晶。

实例3：称取7.26g的Yb₂O₃、114.0g的La₂O₃和78.5g的B₂O₃，将这三种原料一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀，用油压机以2.5吨/cm²的压强压成薄片，分别在450℃和950℃各烧结数小时。烧结好的原料装入φ40×40mm³的铂坩埚熔化后，将装料的坩锅置于晶体提拉生长炉中。生长的条件为：熔化温度1140℃左右，在高出熔化温度20℃左右恒温2小时，缓慢降温至熔点以上5℃左右，引入籽晶。经引种、放肩、等径生长，拉速1.5～2mm/h，转速20～40rpm，纵向的固液界面温度差为10～50℃，最后退火完成生长过程。生长得到尺寸大于φ15×20mm³的Yb_0.05La_0.95(BO₂)₃优质透明单晶。

Claims (10)

1.一种偏硼酸盐激光晶体，其特征在于：该类晶体的分子式为R_xM_1-x(BO₂)₃，x的值在0到1之间变化；其中M为Ti、Cr、Y、Sc、以及镧系元素中某一元素或若干元素的组合；R³⁺为Ti、Cr、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb。

2.如权利要求1所述的激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Nd_xLa_1-x(BO₂)₃，x的值在0到1之间变化，该类晶体属于单斜晶系，空间群为I2/a。

3.如权利要求2所述的激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Nd_0.02La_0.98(BO₂)₃，单胞参数为a＝7.956，b＝8.161，c＝6.499，α＝γ＝90°，β＝93.63°；该晶体在1061nm处的发射截面为1.5×10^-19cm²，荧光寿命在60～70微秒之间，折射率为n_a＝1.66，n_b＝1.77。

4.如权利要求2所述的激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Er_0.02La_0.98(BO₂)₃。

5.如权利要求2所述的激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为Yb_0.05La_0.95(BO₂)₃。

6.一种权利要求2所述的激光晶体的制备方法，其特征为：称取符合R_xM_1-x(BO₂)₃摩尔比的稀土或三价过渡金属氧化物M₂O₃、过渡族或稀土氧化物R₂O₃和过量2.0mol％左右的B₂O₃研磨混合均匀，熔化温度1140℃，在高出熔化温度20℃恒温2小时，缓慢降温至熔点以上5℃，引入籽晶，经引种、放肩、等径生长，拉速1.5～2mm/h，转速20～40rpm，纵向的固液界面温度差为10～50℃。

7.如权利要求1所述的激光晶体，其特征在于：该激光晶体掺杂其他的过渡族或稀土离子作为敏化剂。

8.一种权利要求1所述的激光晶体的生长制备方法，其特征在于：所述的晶体由提拉法生长。

9.如权利要求1所述的激光晶体，其特征在于：所述的激光晶体作为固体激光器工作物质。

10.如权利要求5所述的激光晶体，其特征在于：采用半导体激光作为该固体激光器的泵浦源。