摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體及其製備方法

2023-05-05 23:26:11 1

專利名稱：摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及寬調諧雷射晶體及晶體生長，特別是一種新型的摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體及其製備方法。
背景技術：
Yb3+雷射材料在900-980nm範圍具有較強的吸收，能與高效的InGaAs雷射二極體(波長為900-1100nm)有效地耦合；加之它能級簡單，抽運波長與振蕩波長相近，量子效率高，這些優點十分有利於在1000nm附近實現超快高功率雷射輸出。隨著泵浦源InGaAs二極體的輸出功率和其穩定性升高且價格下降以及人們對雷射器的高效、高功率、小型化、集成化的追求，適應這一波段的Yb3+摻雜的雷射晶體日益受到人們的重視；尤其是摻Yb3+雷射晶體在慣性約束核聚變以及通信、軍事上的巨大應用潛力，更將摻Yb3+雷射晶體的研究推向了高潮。Yb3+離子在近紅外光譜區域簡單的二能級結構使其具有非常低的量子缺陷(＜10％)，從而降低雷射運作過程中的熱載荷，避免上轉換和激發態吸收等不利效應。一般而言，Yb離子佔據基質中低對稱性的格位非常有利於Yb寬調諧和吸收。至今，已發現適宜於寬調諧超快雷射輸出的摻Yb雷射材料主要有Yb:Sr3Y(BO3)3(Yb:BOYS)，Yb:SrY4(SiO4)3(Yb:SYS)，Yb:Y3Al5O12(Yb:YAG)和Yb:CaF2等材料(參見Opt.Lett.，2002，Vol.27，No.3，p.197-199；Opt.Express，2004，Vol.12，No.20，P5005-5012；IEEE Photo Technol.Lett.，1995，Vol7，No.10，P1137-1138；Opt.Lett.，2004，Vol.29，No.23，p.2767-2769)。這些材料的主要光譜等物理性能如下表1所示。表1列出了幾種已經實現飛秒雷射輸出的摻Yb3+雷射晶體的特性。從表1中可知Yb:SYS晶體具有相對較寬的發射半高寬(約73nm)，較高的發射截面，十分有利於超快雷射輸出(已有LD泵浦70fs/156mW輸出的報導，參見Opt.Express，2004，Vol.12，No.20，P5005-5012)，但是該晶體的熱導率相對較低(只有2.85W/mK//c)，這對高功率雷射運轉十分不利。而且，Yb:SYS晶體生長溫度高、組分多，生長優質單晶難度大，因此極大地限制了該晶體的應用。和Yb:SYS晶體相比，表1中所列的Yb:YAG和Yb:CaF2晶體的熱導率相對較高(約4-5.3W/mK)，但是Yb:CaF2發射半高寬相對較窄；Yb:YAG晶體的發射截面也比較小。另外，表1中所列的Yb:LSO熔點較高，製備不容易；Yb:BOYS雖然製備容易，但它熱導率低、發射截面小，很難在高功率超快雷射方面有所發展。
表1

綜上所述，在先技術中使用的寬調諧超快高功率Yb摻雜雷射材料的綜合性能欠佳寬發射譜帶和高熱導率不能同時兼有，而且部分晶體的製備較難，還遠不能滿足日益發展的LD泵浦的全固態寬調諧高功率超快雷射應用的需要。

發明內容
本發明的目的是克服上述在先技術的缺點，提供一種摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體及其製備方法，該摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體兼有寬發射半高寬和較高熱導率、容易製備的特點。
本發明的技術解決方案如下一種摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體，該晶體的分子式為(YbxLu1-x)2Si2O7，其中x的取值範圍為0.001≤x≤0.5。
所述的摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體的製備方法，包括下列步驟1按摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體的分子式(YbxLu1-x)2Si2O7並在0.001≤x≤0.5中選定x值，稱取一定量的乾燥純度大於99.995％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料，原料組分的摩爾比為Yb2O3∶Lu2O3∶SiO2＝x∶(1-x)∶1；2將所稱取的各組分原料充分混合成均勻的混合粉料；3將所述的混合原料，在1-5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，料餅直徑小於坩堝容器直徑，在1400℃-1600℃的溫度下進行燒結15-30小時，形成料塊；4將燒好的料塊裝進Ir金坩堝內並置於爐膛中，採用中頻感應加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；5採用a軸或b軸的摻鈰焦矽酸鑥晶體作籽晶，在摻鐿焦矽酸鑥晶體的熔點下，進行提拉法生長，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.0-2.0mm/hr，晶體轉速約為15-40RPM，晶體經過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序後，生長結束。
本發明的摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體的結構式為(YbxLu1-x)2Si2O7(0.001≤x≤0.5)，(簡稱為Yb:LPS)。稀土偏矽酸鹽介質Lu2Si2O7(簡稱為LPS)的熔點約為1900℃，屬於單斜C2/m空間群結構，在C2/m空間結構上稀土陽離子Lu3+佔據一個結晶學格位，與氧形成扭曲的[LuO6]八面體，共邊相連成平行的片並與分離的[Si2O7]6-雙四面體相間堆疊成網絡結構，而摻雜離子如Yb3+將進入[LuO6]八面體並取代Lu3+所佔據的格位。Yb:LPS單晶生長溫度要比LSO晶體低，約在1950～2000℃左右，故易於生長尺寸大、高光學質量的晶體。
本發明所述的Yb:LPS雷射晶體具有C2/m單斜結構，隨著Yb濃度的增加，(YbxLu1-x)2Si2O7(0.001≤x≤0.5)單晶的晶格常數(a，b，c和β)也隨著變化，其中0.549(4)nm≤a≤0.677(8)nm，0.884(8)nm≤b≤0.106(6)nm，0.468(8)nm≤c≤0.472(4)nm，91.19°≤β≤102.0°。本發明所述的Yb:LPS單晶的單斜C2/m空間群結構的無序度進一步加大等優點，使摻入其中的Yb離子的吸收和發射峰非均勻加寬，有利於實現寬帶可調諧發射。
本發明所述的Yb:LPS雷射晶體材料的吸收和發射光譜特徵分別見圖例1和圖例2。(1)、吸收波長範圍在900-980nm，其中包含三個主要吸收峰905nm，950nm和970nm，可有效與900-980nm範圍的LD進行耦合；(2)、發射譜帶在996nm-1100nm，其對應的幾個發射峰分別為996nm、1032nm和1069nm，發射截面大。
本發明所述的Yb:LPS雷射晶體具有996nm-1100nm波長輸出的雷射調諧範圍，從螢光發射譜可以從理論上推算Yb:LPS晶體可以得到34.7fs的雷射輸出；因此YbLPS單晶可應用於高功率超快雷射技術領域中。
本發明所述的Yb:LPS晶體在996nm、1032nm和1069nm處具有較高的發射截面(約為0.2-0.9×10-20cm2)，因此，本發明所述的Yb:LPS單晶可以在上述三個雷射波長處產生雷射振蕩。本發明所述的Yb:LPS單晶特別適於在940nmLD泵浦。這種運轉模式克服了由於通常Yb的泵浦波長和發射波長差小而造成難以鍍膜的困難，有利於實現長波長(1069nm)的高功率雷射輸出。
本發明所述的Yb:LPS單晶和在先技術中的寬發射超快Yb雷射材料相比，具有1)較寬發射譜帶996-1100nm；2)晶體生長容易，晶體尺寸大，物化性能穩定等優點。是目前綜合性能最好的一種寬調諧Yb雷射材料，有望在可調諧高功率超快等雷射技術領域進行廣泛應用。


圖1是本發明所述的Yb:LPS雷射晶體的吸收光譜特徵圖。
圖2是本發明所述的Yb:LPS雷射晶體的發射光譜圖。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明。
本發明所述的Yb:LPS單晶的製備方法按下列工藝步驟進行1按Yb:LPS的分子式(YbxLu1-x)2Si2O7(0.001≤x≤0.5)中對應各組分的摩爾量稱取一定量的乾燥高純度(大於99.995％)的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料，原料組分的具體摩爾配比如下所示Yb2O3∶Lu2O3∶SiO2＝x∶(1-x)∶1(其中0.001≤x≤0.5)；2將上述稱取各組分原料充分混合成均勻的混合粉料；3將混合均勻原料，在1-5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小於坩堝容器直徑)，在1400℃-1600℃的溫度下進行燒結15-30小時；4將燒好的料塊裝進爐膛中的Ir金坩堝內，採用中頻感應加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；5可分別採用a、b軸的Ce:Lu2Si2O7(Ce:LPS)晶體籽晶，在Yb:LPS單晶體約為2000℃左右的熔點下，進行提拉法生長，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.0-2.0mm/hr，晶體轉速約為15-40RPM。晶體經過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序後，生長結束。
實施例1製備(Yb0.001Lu0.999)2Si2O7雷射晶體按照上述工藝步驟1以摩爾比為0.001∶0.999∶2的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料；按上述工藝步驟2將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟3將混合均勻原料，在1Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小於坩堝容器直徑)，在約1400℃的溫度下進行燒結30小時；按上述工藝步驟4將燒好的料塊裝進爐膛中的Ir金坩堝內，採用中頻感應加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；按工藝步驟5採用a軸的Ce:Lu2Si2O7(Ce:LPS)晶體籽晶進行提拉法生長，Yb0.001Lu0.999)2Si2O7晶體的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.5mm/hr，晶體轉速約為20RPM。晶體經過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序後，生長結束，晶體尺寸約為Φ30×50mm；按上述工藝步驟6將(Yb0.001Lu0.999)2Si2O7雷射晶體按雷射的要求進行切割加工和鍍膜。經實驗測試該(Yb0.001Lu0.999)2Si2O7雷射晶體尺寸較大，光學質量高，光譜性能與圖1和圖2相似，具有寬調諧(996-1100nm)，可以應用於LD泵浦的寬調諧超快雷射技術領域中。該晶體兼有寬發射半高寬和較高熱導率、容易製備的特點。
實施例2製備(Yb0.03Lu0.97)2Si2O7雷射晶體按照上述工藝步驟1以摩爾比為0.03∶0.97∶2的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料；按上述工藝步驟2將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟3將混合均勻原料，在3Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小於坩堝容器直徑)，在約1500℃的溫度下進行燒結20小時；按上述工藝步驟4將燒好的料塊裝進爐膛中的Ir金坩堝內，採用中頻感應加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；按工藝步驟5採用a軸的Ce:Lu2Si2O7(Ce:LPS)晶體籽晶進行提拉法生長，(Yb0.03Lu0.97)2Si2O7晶體的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.0mm/hr，晶體轉速約為40RPM。晶體經過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序後，生長結束，晶體尺寸約為Φ30×30mm；按上述工藝步驟6將(Yb0.03Lu0.97)2Si2O7雷射晶體按雷射的要求進行切割加工和鍍膜。
該(Yb0.03Lu0.97)2Si2O7雷射晶體尺寸較大，光學質量高，光譜性能與說明書圖1和圖2相似，具有寬調諧(996-1100nm)，可以應用於LD泵浦的寬調諧超快雷射技術領域中。
實施例3製備(Yb0.05Lu0.95)2Si2O7雷射晶體按照上述實施例1中的工藝步驟1以摩爾比為0.05∶0.95∶2的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料；按上述工藝步驟2將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟3將混合均勻原料，在4Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小於坩堝容器直徑)，在1600℃的溫度下進行燒結15小時；按上述工藝步驟4將燒好的料塊裝進爐膛中的Ir金坩堝內，採用中頻感應加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；按工藝步驟5採用b軸Ce:LPS籽晶進行提拉法生長，(Yb0.05Lu0.95)2Si2O7混晶的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉速約為30RPM。晶體經過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序後，生長結束，最後獲得Φ30×30mm的Yb:LPS雷射晶體；按上述實施例1中工藝步驟6將(Yb0.05Lu0.95)2Si2O7晶體進行加工。最後獲得的(Yb0.05Lu0.95)2Si2O7雷射晶體尺寸較大，光學質量高，光譜性能與說明書圖1和圖2相似，具有寬調諧(996-1100nm)，可以應用於LD泵浦的寬調諧超快雷射技術領域中。
實施例4製備(Yb0.5Lu0.5)2Si2O7雷射晶體按照上述工藝步驟1以摩爾比為0.5∶0.5∶2的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料；按上述工藝步驟2將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟3將混合均勻原料，在5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小於坩堝容器直徑)，在1600℃的溫度下進行燒結15小時；按上述工藝步驟4將燒好的料塊裝進爐膛中的Ir金坩堝內，採用中頻感應加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；按工藝步驟5採用a軸的Ce:Lu2Si2O7(Ce:LPS)晶體籽晶進行提拉法生長，(Yb0.5Lu0.5)2Si2O7晶體的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為2.0mm/hr，晶體轉速約為15RPM。晶體經過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序後，生長結束，晶體尺寸約為Φ30×30mm；按上述工藝步驟6將(Yb0.5Lu0.5)2Si2O7雷射晶體按雷射的要求進行切割加工和鍍膜。
該(Yb0.5Lu0.5)2Si2O7雷射晶體尺寸較大，光學質量高，光譜性能與說明書圖1和圖2相似，具有寬調諧(996-1100nm)，可以應用於LD泵浦的寬調諧超快雷射
權利要求
1.一種摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體，其特徵在於該晶體的分子式為(YbxLu1-x)2Si2O7，其中x的取值範圍為0.001≤x≤0.5。
2.權利要求1所述的摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體的製備方法，特徵在於包括下列步驟1按摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體的分子式(YbxLu1-x)2Si2O7並在(0.001≤x≤0.5)中選定x值，稱取一定量的乾燥高純度(大於99.995％)的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料，原料組分的具體摩爾比如下所示Yb2O3∶Lu2O3∶SiO2＝x∶(1-x)∶1；2將上述稱取的各組分原料充分混合成均勻的混合粉料；3將所述的混合原料，在1-5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，料餅直徑小於坩堝容器直徑，在1400℃-1600℃的溫度下進行燒結15-30小時，形成料塊；4將燒好的料塊裝進Ir金坩堝內並置於爐膛中，採用中頻感應加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；5採用a軸或b軸的摻鈰焦矽酸鑥晶體作籽晶，在摻鐿焦矽酸鑥晶體的熔點下，進行提拉法生長，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.0-2.0mm/hr，晶體轉速約為15-40RPM，晶體經過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序後，生長結束。
全文摘要
一種摻鐿焦矽酸鑥雷射晶體，該晶體的分子式為(Yb
文檔編號C30B15/00GK1896342SQ200610027760
公開日2007年1月17日 申請日期2006年6月19日 優先權日2006年6月19日
發明者趙廣軍, 徐軍, 鄭麗和, 嚴成鋒, 蘇良碧 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所