摻鉺鐿鎵石榴石晶體及其生長方法
2023-06-15 14:11:46 2
專利名稱：摻鉺鐿鎵石榴石晶體及其生長方法
技術領域：
本發明涉及一種摻鉺鐿鎵石榴石晶體及其生長方法，摻鉺鐿鎵石榴石晶體是一種雷射晶體，簡式為Er:YbGG,屬於光電子材料技術領域。
背景技術：
摻鉺雷射具有大氣傳輸特性好、煙霧穿透能力強、保密性好等特點，被應用於雷射測距、雷射雷達、光電幹擾、遙感、環境監測、光通訊等領域。另外，摻鉺雷射在水中有較強吸收，從而不僅對人眼安全，而且能夠精確介入生物組織，因此，在醫療領域如眼科手術也有應用價值。摻鉺雷射所用雷射材料為摻鉺雷射晶體，如摻鉺釔鋁石榴石晶體Er: YAG，釔鋁石榴石晶體YAG屬於立方晶系，具有優良的物理、化學和機械性能，如吸收峰寬、螢光壽命長、熱效應小等，適合採用LD泵浦，從而適於製作薄片或微片雷射器，實現的固體雷射器的小型化和集成化。儘管Er:YAG雷射晶體性能優異，但是，由於Er3+離子半徑為0.246nm、Y3+離子半徑為0.227nm，二者相差較大，匹配不好，會使晶體容易開裂，這就需要限制鉺的摻入量，隨之而來的問題是所獲得的摻鉺雷射晶體的螢光強度峰值不高，如圖所示，圖中曲線a為Er = YAG雷射晶體的螢光強度曲線。另外，Er = YAG雷射晶體中的釔只是晶體材料基質的組成部分，作為結構離子存在，不是敏化離子，更不是激活離子，對雷射晶體的螢光強度沒有貢獻。現有Er: YAG晶體的生長方法如下:1、生長料製備按照Al2O3: Y203= 5:3 (1-x)的摩爾比例配料，Er2O3為3x摩爾，其中x的取值範圍為
0.001 ^ X^0.5 ;將所述三種組分的原料充分混合，在120(TC溫度下焙燒，之後壓塊得塊狀生長料。2、晶體生長將所製備的塊狀生長料裝入銥金坩堝；之後採用提拉法生長Er:YAG晶體，將裝有塊狀生長料的銥金坩堝放入單晶爐，抽真空，充入氬氣，晶體生長的主要工藝參數確定為:提拉速度0.5mm/h,旋轉速度14rpm，生長溫度1970°C，最後生長出晶格完整的Er = YAG晶體。3、退火EriYAG晶體生長完畢後，採用原位退火的方式緩慢將爐溫降至室溫，取出Er:YAG晶體。為了防止晶體開裂，在晶體生長過程中提拉速度較低，生長周期較長，在晶體中存在更多的色心缺陷。由於原料Al2OyY2O3的熔點較高，使得晶體的生長溫度較高，因而銥金坩堝本身有揮發，作為有害雜質進入晶體，降低晶體質量，如造成晶體應力過大，致使晶體容易開裂
發明內容
在摻鉺雷射晶體方面，本發明的目的在於減輕晶體開裂現象，提高雷射晶體的螢光強度；在摻鉺雷射晶體生長方法方面，本發明的目的在於縮短晶體生長周期、降低晶體生長溫度。為此，我們發明了一種摻鉺鐿鎵石榴石晶體及其生長方法。本發明之摻鉺鐿鎵石榴石晶體的晶體基質屬於立方晶系，鉺為激活元素，其特徵在於，晶體基質為鐿鎵石榴石(YbGG)，晶體分子式為Er:Yb3Ga5012。本發明之摻鉺鐿鎵石榴石晶體生長方法包括生長料製備、晶體生長和退火三個步驟，製備生長料的原料有Er2O3 ;採用提拉法生長晶體；其特徵在於，製備生長料的原料還有Yb2O3^Ga2O3 ;晶體生長的工藝參數確定為:提拉速度0.5 0.8mm/h，旋轉速度12 20rpm，生長溫度1740 1760°C，所生長的晶體為摻鉺鐿鎵石榴石晶體(Er:YbGG)。本發明之摻鉺鐿鎵石榴石晶體依舊屬於立方晶系，具有優良的物理、化學和機械性能；依然以鉺為激活元素，因此，該晶體仍屬於摻鉺雷射晶體。同時，由於Yb3+的離子半徑為0.24nm,與Er3+離子半徑0.246nm十分接近，因此，能夠在匹配良好的前提下由Er3+取代Yb3+的晶格位置，因而，晶體容易開裂的問題因此得到解決，鉺的摻入量也能夠得到提高，如摩爾摻雜濃度能夠達到60%，摻鉺雷射晶體的螢光強度峰值隨之得到提高，如圖所示，圖中曲線b為Er:YbGG雷射晶體的螢光強度曲線。另外，鐿是一種敏化離子，同時還是結構離子，因此，鐿的引入沒有 特別限制，如量的限制；並且，相比於釔，鐿更有利於螢光效率的提高，從而突光強度得到進一步的提聞。在本發明之摻鉺鐿鎵石榴石晶體生長方法中，由於Er3+與Yb3+匹配，晶體開裂問題在一定程度上得到解決，因此，在晶體生長過程中提拉速度可以提高，生長周期得到縮短，晶體色心缺陷得到克服。由於原料Yb203、Ga203的熔點比Y203、A1203的熔點低，因此，晶體生長溫度可以降低，銥金坩堝揮發減輕，從而能夠避免較多的有害雜質進入晶體，晶體質量因此得到提聞，如晶體應力減小，晶體開裂現象減輕。
具體實施例方式有關本發明之摻鉺鐿鎵石榴石晶體的具體內容為，晶體基質屬於立方晶系，鉺為激活元素，晶體基質為鐿鎵石榴石(YbGG)，晶體分子式為Er = Yb3Ga5O12 ;鉺的摩爾摻入濃度為20 60%o有關本發明之摻鉺鐿鎵石榴石晶體生長方法的具體內容如下:1、生長料製備按照Ga2O3:Yb203=5:3 (1-x)的摩爾比例配料，Er2O3的量為3x摩爾，其中x的取值範圍為0.001 ~ 0.6 ;將所述三種組分的原料充分混合，在1200°c下焙燒，用液壓機壓塊得塊狀生長料。2、晶體生長將所製備的塊狀生長料裝入銥金坩堝；之後採用提拉法生長Er:YbGG晶體，將裝有塊狀生長料的銥金坩堝放入單晶爐，抽真空，充入氬氣，晶體生長的主要工藝參數確定為:提拉速度0.5 0.8mm/h,旋轉速度12 20rpm，生長溫度1740 1760°C，最後生長出晶格完整的Er = YbGG晶體。3、退火Er:YbGG晶體生長完畢後，採用原位退火的方式緩慢將爐溫降至室溫，取出Er:YbGG 晶體。 下面是一個具體例子，按照Ga2O3: Yb203=5:3 (1-x)的摩爾比例以及Er2O3為3x摩爾的量配料。取x=0.5，原料中各組分的量如下:Er203l.5摩爾、Ga2035摩爾、Yb2O3L 5摩爾。將所述三種組分充分混合，在1200°C下焙燒，用液壓機壓塊得塊狀生長料。將所製備的塊狀生長料裝入銥金坩堝並放入中頻感應加熱單晶爐中，採用提拉法等徑生長Er:YbGG晶體，抽真空至10_3Pa，充入氬氣。晶體生長的主要工藝參數確定為:提拉速度0.55mm/h，旋轉速度13rpm，生長溫度1750°C。晶體生長完畢，採用原位退火的方式緩慢將爐溫降至室溫，取出Er:YbGG晶體。該晶體為摻鉺鐿鎵石槽石晶體,屬於立方晶系，晶體質量較好,尺寸為044mmX90mm。經測試，鉺的摩爾摻雜濃度為50%。經光譜測試，本發明之摻鉺鐿鎵石榴石晶體與現有摻鉺釔鋁石榴石晶體相比，螢光強度峰值波長相近，螢光強度峰值有明顯提高，如圖所示，圖中曲線a為Er = YAG雷射晶體的螢光強度曲線，曲線b為Er = YbGG雷射晶體的螢光強度曲線。`
權利要求
1.一種摻鉺鐿鎵石榴石晶體，晶體基質屬於立方晶系，鉺為激活元素，其特徵在於，晶體基質為鐿鎵石榴石，晶體分子式為Er:Yb3Ga5012。
2.根據權利要求1所述的摻鉺鐿鎵石榴石晶體，其特徵在於，鉺的摩爾摻入濃度為.20 60%。
3.—種摻鉺鐿鎵石榴石晶體生長方法，包括生長料製備、晶體生長和退火三個步驟，製備生長料的原料有Er2O3 ;採用提拉法生長晶體；其特徵在於，製備生長料的原料還有Yb203、Ga2O3 ;晶體生長的工藝參數確定為:提拉速度0.5 0.8mm/h，旋轉速度12 20rpm，生長溫度1740 1760°C，所生長的晶體為摻鉺鐿鎵石榴石晶體。
4.根據權利要求3所述的摻鉺鐿鎵石榴石晶體生長方法，其特徵在於，按照Ga2O3:Yb203=5:3 (1-x)的摩爾比例配料，Er2O3的量為3x摩爾，其中x的取值範圍為.0.001 ≤ X ≤ 0.6。
全文摘要
摻鉺鐿鎵石榴石晶體及其生長方法屬於光電子材料技術領域。現有摻鉺釔鋁石榴石晶體Er3+、Y3+離子半徑匹配不好，會使晶體容易開裂，鉺摻入量受限，雷射晶體螢光強度峰值不高；其生長周期較長，在晶體中存在更多的色心缺陷，生長溫度較高，銥金坩堝本身有揮發，降低晶體質量。本發明之摻鉺鐿鎵石榴石晶體的晶體基質屬於立方晶系，鉺為激活元素，晶體基質為鐿鎵石榴石，晶體分子式為Er:Yb3Ga5O12；其生長方法包括生長料製備、晶體生長和退火三個步驟，製備生長料的原料有Er2O3；採用提拉法生長晶體；其特徵在於，製備生長料的原料還有Yb2O3、Ga2O3；晶體生長的工藝參數確定為提拉速度0.5～0.8mm/h，旋轉速度12～20rpm，生長溫度1740～1760℃，所生長的晶體為摻鉺鐿鎵石榴石晶體。
文檔編號C30B29/28GK103205813SQ20131008161
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者曾繁明, 李春, 林海, 劉景和, 谷亮, 鄭東陽, 苗東偉, 李秦霖, 楊曉東, 梁璇, 方旭光 申請人:長春理工大學