鉺摻雜硼酸鍶鐿晶體及其製備方法與用途的製作方法

2023-09-22 15:58:25

專利名稱：鉺摻雜硼酸鍶鐿晶體及其製備方法與用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及固體雷射材料領域。
背景技術：
鉺離子(Er3+)產生的I. 55 μ m波段雷射位於光纖通信和大氣傳輸窗口，而且該波段雷射對人眼安全，因此被廣泛應用於醫學、軍事、精密測距、精密遙感測量和光通訊等國防和民用領域。目前I.55μπι波段雷射輸出性能較好的是Er3+和Yb3+雙摻硼酸鹽晶體，如Er:Yb:RCa40(BO3)3、Er:Yb:RAl3(BO3)4'和 Er:Yb = Sr3R2(BO3)4 (R=Y, Gd)晶體。在上述晶體中，EriYbiRCa4O(BO3)3晶體在峰值976nm處的吸收半高寬僅有3_4nm，不利於InGaAs半導 體雷射器的泵浦；Er:Yb = RAl3(BO3)4晶體只能採用周期長、成本高、難生長的熔鹽法生長；Er:Yb:Sr3R2 (BO3)4晶體雖然可採用周期短、成本低、易生長的提拉法生長，但該晶體屬於雙軸晶，其各向異性較強，雷射運轉過程中容易開裂。此外，在上述雷射晶體中通常要摻入O. 5-5. Omo 1%的Er3+離子和10_30mol%的Yb3+離子以實現I. 55 μ m波段雷射輸出，然而高濃度的Yb3+離子摻雜可能降低雷射晶體的光學質量和熱機械性能，從而影響該波段雷射的輸出性能。因此，尋找合適的基質材料以實現I. 55 μ m波段雷射輸出一直是人們研究的熱點。Er: YbSr3 (BO3) 3晶體屬於三方晶系，為單軸晶，可採用提拉法生長。此外，該雷射晶體中敏化離子Yb3+是基質晶體本身組成之一，而不是以一種「摻雜」的形式存在於晶體中；同時，由於Er3+ (O. 890A)和Yb3+ (O. 868A)離子的半徑非常接近，因此在YbSr3 (BO3) 3晶體中摻入Er3+離子，可以有效地減少晶體生長過程中產生的缺陷，提高晶體的光學質量和輸出雷射的性能。

發明內容
本發明的目的在於製備一種新的雷射晶體Er = YbSr3(BO3)3,通過控制晶體中Er3+離子的濃度，以實現I. 55 μ m波段雷射輸出。本發明包括如下技術方案本發明製備的鉺摻雜硼酸鍶鐿晶體分子式為ErxYb(1_x)Sr3(BO3)3，其中x=0. 5-5mol%，該晶體屬於三方晶系，為單軸晶，空間群為晶胞參數為a=12. 4590 (16) A,c=9. 2839 (16)Α, α=β=90°，y =120°。所述晶體採用提拉法進行生長，其製備工藝如下採用符合ErxYb(1_x)Sr3(B03)3摩爾比的Er203、Yb2O3> SrCO3和過量l-5mol%的H3BO3為原料，使其固相反應充分，然後將反應後的產物置於單晶提拉爐中進行晶體生長，拉速為O. 5-3. Omm/h，轉速為10-20rpm，縱向的固液界面溫度差為10-30°C，最後經退火完成生長過程。該晶體用於固體雷射器中作為增益介質，使用976nm附近波長的紅外雷射作為泵浦源，實現I. 55 μ m波段雷射輸出。
實施本發明技術方案具有的有益效果是ErxYb(1_x)Sr3(BO3)3雷射晶體在空氣中不潮解、可用提拉法生長、製備成本較低，生長的晶體具有良好的熱、機械和化學穩定性；以ErxYb(1_x)Sr3 (BO3)3晶體為增益介質可以實現I. 55 μ m波段的雷射輸出；Er3+離子在該晶體中還具有較寬的發射帶，因此以ErxYb(1_x)Sr3(BO3)3晶體為增益介質還可實現可調諧和超短脈衝雷射輸出。
具體實施例方式實例I :970nm半導體雷射端面泵浦採用提拉法生長的Eratll = Yba99Sr3(BO3)3晶體實現1546nm雷射輸出。 稱取O. 50g 的 Er203>51. 35g 的 Yb2O3'117. 74g 的 SrCO3 和 49. 80g 的 H3BO3,將這四種原料一起置於瑪瑙研缽中研磨混合均勻，用油壓機以2噸/cm2的壓強壓成塊體，分別在500°C和1000°C各燒20小時，然後再把燒結的原料取出來研磨、壓片、燒結，這樣反覆操作3次以使原料固相反應充分，然後將反應後的產物轉入銥坩堝中，置入氮氣氣氛保護下的單晶提拉爐中進行晶體生長。生長過程與參數為先將原料升溫熔化，熔點約為1400°C，升溫至高出熔點約30°C並恆溫2小時，讓原料充分混合均勻，然後緩慢降溫至高出熔點5°C左右，弓I入籽晶，經引種、放肩、等徑生長，拉速為O. 5-3. Omm/h,轉速為10_20rpm，縱向的固液界面溫度差為10-30°C，最後退火完成生長過程。生長得到尺寸大於ct20mmX30mm的EraC11 :Yba99Sr3 (BO3)3優質透明單晶。然後將I. 25_厚的晶體(端面積一般在平方毫米到平方釐米)端面拋光後置於雷射腔中，入射鍍膜腔鏡在970nm波長處高透、I. 55 μ m波段處高反(R>99%)，出射鍍膜腔鏡在970nm波長處高反(R>98%)、I. 55 μ m波段處透過率為I. 2%。利用970nm半導體雷射端面泵浦即可得到斜率效率約為5. 5%和輸出功率約為O. 39W的1546nm固體雷射輸出。實例2 970nm半導體雷射端面泵浦採用提拉法生長的Eratl2 = Yba98Sr3(BO3)3晶體實現1539nm雷射輸出。稱取I. OOg 的 Er2O3^50. 83g 的 Yb2O3'117. 74g 的 SrCO3 和 49. 80g 的 H3BO3,將這四種原料一起置於瑪瑙研缽中研磨混合均勻，用油壓機以2噸/cm2的壓強壓成塊體，分別在500°C和1000°C各燒結20小時，然後再把燒結的原料取出來研磨、壓片、燒結，這樣反覆操作3次以使原料固相反應充分，然後將反應後的產物轉入銥坩堝中，置入氬氣氣氛保護下的單晶提拉爐中進行晶體生長。生長過程與參數為先將原料升溫熔化，熔點約為1400°C，升溫至高出熔點約30°C並恆溫2小時，讓原料充分混合均勻，然後緩慢降溫至高出熔點5°C左右，弓I入籽晶，經引種、放肩、等徑生長，拉速為O. 5-3. Omm/h,轉速為10_20rpm，縱向的固液界面溫度差為10-30°C，最後退火完成生長過程。生長得到尺寸大於ct20mmX30mm的Er。.C12 :Yba98Sr3 (BO3)3優質透明單晶。然後將I. 26mm厚的晶體(端面積一般在平方毫米到平方釐米)端面拋光後置於雷射腔中，入射鍍膜腔鏡在970nm波長處高透、I. 55 μ m波段處高反(R>99%)，出射鍍膜腔鏡在970nm波長處高反(R>98%)、I. 55 μ m波段處透過率為I. 2%。利用970nm半導體雷射端面泵浦即可得到斜率效率約為8. 6%和輸出功率約為O. 6W的1539nm固體雷射輸出。
權利要求
1.一種鉺摻雜硼酸鍶鐿晶體，該晶體的分子式為ErxYb(1_x)Sr3 (BO3) 3，其中x=0. 5-5mol%,該晶體屬於三方晶系，為單軸晶，空間群為Ri，晶胞參數為a=12. 4590 (16)A，c=9. 2839(16)A，α = β =90°，γ =120°。
2.權利要求I所述晶體的製備方法，採用提拉法進行生長，包括如下步驟採用符合ErxYb(1_x)Sr3 (BO3) 3 摩爾比的 Er2O3、Yb2O3、SrCO3 和過量 l_5mol% 的 H3BO3 為原料，使其固相反應充分，然後將反應後的產物置於單晶提拉爐中進行晶體生長，拉速為O. 5-3. Omm/h，轉速為10-20rpm，縱向的固液界面溫度差為10_30°C，最後經退火完成生長過程。
3.權利要求I所述的鉺摻雜硼酸鍶鐿晶體用於固體雷射器中作為增益介質，使用976nm附近波長的紅外雷射作為泵浦源，實現I. 55 μ m波段雷射輸出。
全文摘要
本發明公開鉺摻雜硼酸鍶鐿晶體及其製備方法與用途。該晶體化學式為ErxYb(1-x)Sr3(BO3)3，其中x=0.5-5mol%，該晶體屬於三方晶系，為單軸晶，空間群為，晶胞參數為a=12.4590(16) ，c=9.2839(16) ，α=β=90°，γ=120°。該晶體在空氣中不潮解，具有良好的熱、機械和化學穩定性。可用提拉法生長、製備成本較低。以該晶體為增益介質可以實現1.55μm波段的雷射輸出。
文檔編號C30B15/00GK102899721SQ20121041195
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者黃建華, 黃藝東, 陳雨金, 林炎富, 龔興紅, 羅遵度 申請人:中國科學院福建物質結構研究所