摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體及其製備方法

2023-10-06 16:49:59 3

專利名稱：摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及光電子功能材料技術領域中的人工晶體和晶體生長領域，尤其是一種摻鐿鋁鉭酸鑭鍶Yb3+:(La，Sr)(Al，Ta)O3雷射晶體及其製備方法。
背景技術：
1960年邁曼製成了第一臺紅寶石脈衝雷射器，它標誌了雷射技術的誕生。從此，雷射技術的發展非常迅速。90年代以來，隨著泵浦源InGaAs二極體(發射波長0.9～1.1μm)的輸出功率和其穩定性提高，摻鐿雷射材料吸收波段剛好與其匹配，以及人們對雷射器的高效、高功率、小型化、集成化的追求，從而興起了摻Yb3+雷射材料的研究。
對於摻鐿雷射材料，它具有如下優點Yb3+激活離子能級結構簡單，電子構型為4f13，僅有兩個電子態，即2F7/2和激發態2F5/2，兩者的能量間隔約為10 000cm-1，在晶體場作用下，產生斯託克分裂，分別分裂為4個和3個子能級，形成準三能級的運行機制；Yb3+高的量子效率和摻雜濃度、低的熱損耗，且無激發態吸收和交叉馳豫，因此很適合雷射二極體(LD)抽運下的雷射工作。為此，尋找一種摻雜Yb3+的性能優良的雷射工作物質將對半導體雷射器的發展有重要意義。
目前應用廣泛的摻鐿雷射材料為Yb:YAG雷射晶體。對於Yb:YAG雷射晶體存在的核心問題是Yb3+準三能級系統，自吸收強雷射閾值高，因此，近年來人們在研究提高Yb:YAG雷射晶體性能的同時，也在積極尋找著其他合適的基質材料來充分利用Yb3+的優點。
近年來人們研究發現具有複合鈣鈦礦結構的鋁鉭酸鑭鍶單晶((La，Sr)(Al，Ta)O3，簡寫為LSAT)是一種適合於GaN外延生長的具有前景的襯底材料。研究結果表明在溫場、生長速率等條件控制好的情況下能夠採用提拉法生長出大尺寸、優質量的鋁鉭酸鑭鍶單晶，且晶體物理化學性能優異(參見文獻T.￡ukasiewicz， H.Sakowska，A.Turos， and R.Ratajczak，J.CrystalGrowth.237-239(2002)1118；Kiyoshi Shimamura，Hideo Tabata，Hiroaki Takeda，Vladimir V.Kochurikhin，Tsuguo Fukuda，J.CrystalGrowth.194(1998)209等)。鋁鉭酸鑭鍶晶體材料的這些優點使其可能成為一種性質優異的基質材料。目前，採用提拉法生長摻鐿鋁鉭酸鑭鍶晶體(Yb3+:(La，Sr)(Al，Ta)O3)用作雷射增益介質的研究尚未見報導。

發明內容
本發明的目的就在於提供一種一種摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體Yb3+:(La，Sr)(Al，Ta)O3及其製備方法。該晶體具有光學質量高、物化性能優良的雷射材料，其為Yb3+離子提供較強的晶格場分裂能。
本發明的技術解決方案如下一種摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體，該晶體的結構式為(YbxLa(0.3-x)Sr0.7)(Al0.65Ta0.35)O3，其中x為Yb3+的摻雜濃度，x＝0.1～10at％。Yb3+:(La，Sr)(Al，Ta)O3晶體屬於立方晶系，空間群為m3m。其中鐿離子作為摻雜離子取代鑭離子的晶格位置。
所述摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體的製備方法，該方法包括下列步驟①選定x的取值，根據分子式(YbxLa(0.3-x)Sr0.7)(Al0.65Ta0.35)O3按化學計量比稱量原料，在晶體生長配方中初始用原料為La2O3，SrCO3，Al2O3，Ta2O5和Yb2O3。具體的化學反應方程式如下，②將所稱量的原料混合均勻、壓片，然後置於氧化鋁坩鍋中放入馬弗爐，在1200℃恆溫燒結十多個小時進行合成；③將合成好的Yb:(La，Sr)(Al，Ta)O3裝入銥金鍋中，在惰性氣體(N2、Ar等)保護氣氛下採用中頻感應提拉法生長，用001方向純(La，Sr)(Al，Ta)O3單晶作籽晶，生長結束後需以小於100℃/h緩慢降溫。
所述的晶體生長過程中利用下稱重電子稱和歐陸818自動進行等徑控制，晶體生長速度和晶轉速度分別為0.5-3mm/h和5-20rpm。
將生長出的Yb3+:(La，Sr)(Al，Ta)O3晶體進行吸收譜(附圖1)、螢光譜(附圖2)及螢光壽命等分析測試。在吸收光譜中存在三個強的吸收峰，分別為880，928和980nm。螢光峰位於980、1014和1100nm。相比Yb摻雜的其他晶體材料，Yb3+在鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體的晶格場作用下，斯託克分裂比較強，從而在880nm處出現一強的吸收峰，1100nm處出現螢光峰。對於Yb3+的準三能級系統來說，螢光峰移向1100nm，對降低泵浦閾值是有利的，我們可從下列的簡單計算看出首先通過吸收峰、螢光峰的結合，可得1100nm發射下能級的能量E12＝1108cm-1，因為雷射下能級2相對於基態粒子數分布遵循Boltzman分布，從而可根據公式n2n1=exp(-E12KT)]]>得到在室溫下E2能級上的粒子數是基態能級粒子數的4.9×10-3倍。相對於在其他基質中的情況(如在YAG基質中的倍數是5.3×10-2)，Yb3+離子在(La，Sr)(Al，Ta)O3晶體中下能級粒子數大大減少了，這為減少泵浦閾值帶來了可能。晶體的螢光壽命為1.18ms。長的螢光壽命可使晶體上能級積累更多的粒子，增加了儲能，有利於提高雷射器的輸出功率和輸出能量。進一步的雷射性能研究目前還在實驗中。
通過上述分析，我們可知本發明的Yb3+:(La，Sr)(Al，Ta)O3晶體是一種有前景的雷射晶體。我們可通過提拉法生長非常容易的得到Yb3+:(La，Sr)(Al，Ta)O3晶體。該晶體具有吸收帶寬寬、螢光壽命長等優點，並有望通過二極體泵浦得到1100nm的雷射輸出。理論分析知其在泵浦閾值上會有所下降。因此摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體是一種具有前景的新型的雷射晶體。


圖1是本發明Yb:(La，Sr)(Al，Ta)O3晶體的室溫吸收光譜圖2是本發明Yb:(La，Sr)(Al，Ta)O3晶體的室溫螢光光譜具體實施方式
下面通過實施例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
實施例1本發明摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體的製備方法包括下列步驟①選定x的取值，根據分子式(YbxLa(0.3-x)Sr0.7)(Al0.65Ta0.35)O3按化學計量比稱量原料，在晶體生長配方中初始原料為La2O3(4N)，SrCO3(4N)，Al2O3(5N)，Ta2O5(5N)和Yb2O3(5N)，具體的化學反應方程式如下，②將所稱量的原料混合均勻、壓片，然後置於氧化鋁坩鍋中放入馬弗爐，在1200℃恆溫燒結十多個小時進行合成；③將合成好的Yb:(La，Sr)(Al，Ta)O3裝入銥金鍋中，在惰性氣體(N2、Ar等)保護氣氛下，採用中頻感應提拉法生長，用001方向純(La，Sr)(Al，Ta)O3單晶作籽晶，為防止晶體開裂，生長結束後需以≤100℃/h緩慢降溫。
本實施例的原料配比中取x＝5.0at％。將La2O3(4N)，SrCO3(4N)，Al2O3(5N)，Ta2O5(5N)和Yb2O3(5N)高純原料氧化物粉末在空氣中適當的預乾燥，然後按化學計量比嚴格稱量，並充分混勻，加壓成直徑略小於坩鍋內徑的塊體，在空氣中1200℃以上高溫預燒12小時後裝入銥坩鍋開始生長晶體。晶體生長方向001，晶體生長速率和晶轉速率分別為1mm/h和10rpm，生長氣氛為N2保護氣氛。最初的固液界面生長線凸向熔體，所以斷層和雜質得以減少，這以後生長界線變為平坦。為防止晶體開裂，生長結束後以30℃/h速率降溫至室溫。從爐中取出的晶體毛坯為淡黃色，這是基質晶體鋁鉭酸鑭鍶的特徵顏色，晶體尺寸為Φ20mm×50mm。測其吸收光譜見附圖1，螢光光譜見附圖2。吸收峰980nm處的吸收截面為0.79×10-20cm2；螢光譜經過洛侖茲擬合得到螢光峰分別為980、1014、1045和1100nm，其中1045和1100nm處的發射截面分別為1.71×10-20cm2和15.2×10-20cm2；晶體螢光壽命為1.18ms。
實施例2本實施例的原料配比中取x＝2.0at％。將La2O3(4N)，SrCO3(4N)，Al2O3(5N)，Ta2O5(5N)和Yb2O3(5N)高純原料氧化物粉末在空氣中適當的預乾燥，然後按化學計量比嚴格稱量，並充分混勻，加壓成直徑略小於坩鍋內徑的塊體，在空氣中1200℃以上高溫預燒15小時後裝入銥坩鍋開始生長晶體。晶體生長方向001，晶體生長速率和晶轉速率分別為1.5mm/h和15rpm，生長氣氛為N2保護氣氛。最初的固液界面生長線凸向熔體，所以斷層和雜質得以減少，這以後生長界線變得平坦。為防止晶體開裂，生長結束後以50℃/h速率降溫至室溫。得到與實施例1相近性能的摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體。
實施例3本實施例的原料配比中取x＝0.5at％。將La2O3(4N)，SrCO3(4N)，Al2O3(5N)，Ta2O5(5N)和Yb2O3(5N)高純原料氧化物粉末在空氣中適當的預乾燥，然後按化學計量比嚴格稱量，並充分混勻，加壓成直徑略小於坩鍋內徑的塊體，在空氣中1200℃以上高溫預燒10小時後裝入銥坩鍋開始生長晶體。晶體生長方向001，晶體生長速率和晶轉速率分別為2mm/h和12rpm，生長氣氛為N2保護氣氛。最初的固液界面生長線凸向熔體，所以斷層和雜質得以減少，這以後生長界線變得平坦。為防止晶體開裂，生長結束後以60℃/h速率降溫至室溫。得到與實施例1相近性能的摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體。
權利要求
1.一種摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體，其特徵在於該晶體的結構式為(YbxLa(0.3-x)Sr0.7)(Al0.65Ta0.35)O3，其中x為Yb3+的摻雜濃度，x＝0.1～10at％。
2.權利要求1所述的摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體的製備方法，其特徵在於該方法包括下列步驟①選定x的值，根據分子式(YbxLa(0.3-x)Sr0.7)(Al0.65Ta0.35)O3按化學計量比稱量原料，在晶體生長配方中初始用原料為La2O3，SrCO3，Al2O3，Ta2O5和Yb2O3.具體的化學反應方程式如下；②將所稱量的原料混合均勻、壓片，然後置於氧化鋁坩鍋中放入馬弗爐中，在1200℃恆溫燒結10小時以上進行合成；③將合成好的Yb(La，Sr)(Al，Ta)O3裝入銥金鍋中，在惰性氣體保護氣氛下採用中頻感應提拉法生長，用001方向純(La，Sr)(Al，Ta)O3單晶作籽晶，生長結束後需以小於100℃/h的速率緩慢降至室溫。
全文摘要
一種摻鐿鋁鉭酸鑭鍶雷射晶體及其製備方法，該晶體的結構式為(Yb
文檔編號H01S3/16GK1740407SQ20051002804
公開日2006年3月1日 申請日期2005年7月22日 優先權日2005年7月22日
發明者杭寅, 朱月芹, 張連翰, 宋詞 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所