摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體及其製備方法
2024-03-08 08:20:15
專利名稱：摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及可調諧雷射晶體，特別是一種摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體及其製備方法，摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體，化學式為(YbxLuyY1-x-y)2SiO5(0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8)，(簡稱為Yb:LYSO)，並涉及該晶體的提拉法生長方法。本發明生長的Yb:LYSO晶體有較大尺寸、晶體光學質量高、完整無開裂，及具有寬的發射譜帶，可用於寬帶可調諧超快雷射技術領域中。
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。Yb雷射材料的發射譜帶越寬，愈容易實現寬調諧和高功率超快雷射的輸出。因此，隨著高性能InGaAs雷射二極體的發展和成本的降低，近年來，尋求具有寬發射譜的Yb摻雜雷射增益介質材料引起了人們的極大興趣。一般而言，Yb離子佔據基質中低對稱性的格位或多種格位，非常有利於Yb吸收和發射光譜的寬化。至今，已發現有較寬發射譜帶適宜於寬調諧超快雷射輸出的Yb雷射材料主要有Yb:Phosphate QX玻璃，Yb:Sr3Y(BO3)3(Yb:BOYS)，Yb:SrY4(SiO4)3(Yb:SYS)，Yb:Y2SiO5(Yb:YSO)和Yb:Lu2SiO5(Yb:LSO)等材料(參見2002年J.Opt.Soc.B.，Vol.19(5)，p.1083，2004年Opt.Lett.Vol.29，p.1879，和2005年Opt.Lett.Vol.30p.857)，這些材料的主要光譜等物理性能如下表1所示
表1一些寬發射可調諧超快Yb雷射材料的性能
從表1中可知Yb:SYS晶體具有相對較寬的發射半高寬(約70nm)，較高的發射截面，十分有利於超快雷射輸出(已有LD泵浦94fs/130mW輸出的報導，參見2002年的Opt.Lett.，第27卷，第197頁)，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:CaF2，Yb:YSO和Yb:LSO晶體的熱導率相對較高(約4-5W/mK)，這些晶體的發射半高寬(約50nm)相對較窄，且發射截面也比較小(約為Yb:SYS的一半)，其中Yb:LSO晶體熔點較高，生長工藝還不很成熟。另外，表1中所列的Yb:磷酸鹽玻璃雖然製備容易，但和Yb晶體相比，其熱導率低、發射截面小，很難在高功率超快雷射方面有所發展。
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，即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，提供一種摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體及其製備方法，該晶體應兼有寬發射半高寬、較高熱導率和容易製備的優點。
本發明技術解決方案如下一種摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體，特徵是其化學式為(YbxLuyY1-x-y)2SiO5，其中x和y的取值範圍是0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8。
本發明摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體的製備方法，按下列工藝步驟進行1按分子式(YbxLuyY1-x-y)2SiO5選定x和y的值，根據相應各組分的摩爾量稱取一定量的乾燥的純度高於99.995％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；2將所稱取的原料充分混合均勻，形成混合粉料；3將混合粉料，在1-5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，在1300-1400℃的溫度下，進行恆溫燒結24小時以上；
4將燒結好的料餅裝進Ir金坩堝內，採用中頻感應爐加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；5採用a軸、b軸或c軸的Lu2SiO5晶體作籽晶，在Yb:LYSO混晶的熔點下，用提拉法生長，生長氣氛為N2氣體或N2+2vol％的O2，晶體生長速度為1.0-2.5mm/小時，晶體轉速約為15-40轉/分鐘，晶體經過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序後，生長結束。
由於稀土正矽酸鹽介質Y2SiO5(YSO)和Lu2SiO5(LSO)材料都屬於一致熔融化合物，從表1上看，熔點分別約為1980℃和2050℃，且同屬於低對稱性的單斜晶系C2/c空間群結構，晶格中具有兩個稀土格位(6配位和7配位)。Yb:LYSO混晶是在Y2SiO5晶體中引入Lu離子，它不但具有Y2SiO5晶體良好的生長特性，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:LYSO雷射晶體也同樣具有C2/c單斜結構，隨著Yb、Lu濃度的增加，(YbxLuyY1-x-y)2SiO5(0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8)混晶的晶格常數(a，b，c和β)也隨著變化，其中1.2368(9)nm≤a≤1.2470(5)nm，0.6647(2)nm≤b≤0.6714(6)nm，1.0276(0)nm≤c≤1.0398(1)nm，102.2°≤β≤102.9°。本發明所述的Yb:LYSO雷射晶體具有相對高的熱導率(k)，熱導率的數值約為4.4-5W/mK之間。加之此Yb:LYSO混晶的單斜C2/c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:LYSO雷射晶體材料的吸收和發射光譜特性分別見
圖1和圖21)吸收波長範圍在900-980nm，其中包含四個主要吸收峰899nm，923nm，951nm和977nm，可有效地與900-980nm範圍的LD進行耦合；
2)發射譜帶在1000nm-1120nm，其對應的幾個發射峰分別為1004nm、1033nm、1056nm和1085nm，發射截面大；本發明所述的Yb:LYSO雷射晶體具有1010nm-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:LYSO晶體可以得到12fs的雷射輸出；因此Yb:LYSO混晶可應用於高功率超快雷射技術領域。
本發明所述的Yb:LYSO晶體在1033nm、1056nm和1085nm處具有較高的發射截面，約為0.3-0.5×10-20cm2，因此，本發明所述的Yb:LYSO混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:LYSO混晶特別適於對940nmLD泵浦，並實現1085nm雷射輸出。該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(1085nm)的高功率雷射輸出。
本發明所述的Yb:LYSO混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1010-1100nm；2)較高的熱導率，約為4.5-5W/mK，是Yb:SYS晶體的1.7倍多；3)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雷射技術領域獲得廣泛應用。
圖例說明圖1是本發明所述的Yb:LYSO雷射晶體的吸收光譜特徵圖。
圖2是本發明所述的Yb:LYSO雷射晶體的發射光譜圖。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖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。
本發明摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體的化學式為(YbxLuyY1-x-y)2SiO5，其中x和y的取值範圍是0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8。
本發明摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體的製備方法，包括下列工藝步驟1按分子式(YbxLuyY1-x-y)2SiO5選定x和y的值，根據相應各組分的摩爾量稱取一定量的乾燥的純度高於99.995％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；2將所稱取的原料充分混合均勻，形成混合粉料；3將混合粉料，在1-5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，在1300-1400℃的溫度下，進行恆溫燒結24小時以上；4將燒結好的料餅裝進Ir金坩堝內，採用中頻感應爐加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；5採用a軸、b軸或c軸的Lu2SiO5晶體作籽晶，在Yb:LYSO混晶的熔點下，用提拉法生長，生長氣氛為N2氣體或N2+2vol％的O2，晶體生長速度為1.0-2.5mm/小時，晶體轉速約為15-40轉/分鐘，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(Yb0.001Y0.9Lu0.099)2SiO5雷射晶體按照上述工藝步驟1以摩爾比為0.001∶0.9∶0.099∶1的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Y2O3，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，在低於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Lu3SiO5(LSO)晶體籽晶進行提拉法生長，(Yb0.001Y0.9Lu0.099)2SiO5晶體的生長溫度約為1980℃，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為2mm/hr，晶體轉速約為25RPM。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Ф60×80mm。
將本實施例(Yb0.001Y0.9Lu0.099)2SiO5雷射晶體按雷射的要求進行切割加工和鍍膜。經實驗表明該(Yb0.001Y0.9Lu0.099)2SiO5雷射晶體尺寸較大，光學質量高，光譜性能如圖1和圖2所示，具有寬調諧(1010-1100nm)，可以應用於LD泵浦的寬調諧超快雷射。
實施例2製備(Yb0.5Y0.4Lu0.1)2SiO5雷射晶體按照上述實施例1中的工藝步驟1以摩爾比為0.5∶0.4∶0.1∶1的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；重複上述實施例1中工藝步驟234；按上述實施例1中步驟5採用採用c軸LSO籽晶進行提拉法生長，(Yb0.5Y0.4Lu0.1)2SiO5混晶的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2+2vol％的O2氣體，晶體生長速度為1.2mm/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，最後獲得Ф50×80mm的Yb:LYSO雷射晶體。按上述實施例1，對本實施例(Yb0.5Y0.4Lu0.1)2SiO5晶體進行加工。最後獲得的(Yb0.5Y0.4Lu0.1)2SiO5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(1010-1100nm)，可以應用於LD泵浦的寬調諧超快雷射技術領域實施例3製備(Yb0.05Y0.15Lu0.8)2SiO5雷射晶體按照上述實施例2中的工藝步驟1以摩爾比為0.05∶0.15∶0.8∶1的比率稱取純度為99.999％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；重複上述實施例2中工藝步驟234；按上述實施例2中工藝步驟5採用b軸的LSO晶體籽晶進行提拉法生長，(Yb0.05Y0.15Lu0.8)2SiO5晶體的生長溫度約為2010℃，生長氣氛為N2+2vol％的O2氣體，晶體生長速度為1.5mm/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，晶體尺寸約為Φ50×80mm；將粉實施例的晶體進行加工，獲得的(Yb0.05Y0.15Lu0.8)2SiO5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(1010-1100nm)，可以應用於LD泵浦的寬調諧超快雷射技術領域。
總之，本發明晶體採用提拉法生長，該晶體兼有寬發射半高寬、較高熱導率和容易製備的優點，本發明生長的晶體有較大尺寸、晶體光學質量高、完整無開裂，可用於寬帶可調諧超快雷射技術領域。
權利要求
1.一種摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體，特徵是其化學式為(YbxLuyY1-x-y)2SiO5，其中x和y的取值範圍是0.001≤x≤0.5，0＜y≤0.8。
2.權利要求1所述的摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體的製備方法，其特徵在於按下列工藝步驟進行1按分子式(YbxLuyY1-x-y)2SiO5選定x和y的值，根據相應各組分的摩爾量稱取一定量的乾燥的純度高於99.995％的Yb2O3，Y2O3，Lu2O3和SiO2原料；2將所稱取的原料充分混合均勻，形成混合粉料；3將混合粉料，在1-5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，在1300-1400℃的溫度下，進行恆溫燒結24小時以上；4將燒結好的料餅裝進Ir金坩堝內，採用中頻感應爐加熱Ir坩堝內的原料使其完全熔化；5採用a軸、b軸或c軸的Lu2SiO5晶體作籽晶，在Yb:LYSO混晶的熔點下，用提拉法生長，生長氣氛為N2氣體或N2+2vol％的O2，晶體生長速度為1.0-2.5mm/小時，晶體轉速約為15-40轉/分鐘，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
一種摻鐿矽酸釔鑥雷射晶體及其製備方法，該晶體的化學式為(Yb
文檔編號C30B15/00GK1737219SQ200510028599
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月9日 優先權日2005年8月9日
發明者嚴成鋒, 趙廣軍, 徐軍, 蘇良碧, 徐曉東, 張連翰, 龐輝勇, 宗豔花 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所