雙摻鉺鐿硼酸釓鈣雷射晶體及其製備方法與用途的製作方法
2024-02-15 23:38:15 2
專利名稱：雙摻鉺鐿硼酸釓鈣雷射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，尤其是涉及一種作為固態雷射器中的工作物質的雷射晶體材料。
背景技術：
雷射晶體是固體雷射器的工作物質，它是指以晶體為基質，通過分立的發光中心吸收泵浦光能量並將其轉化為雷射輸出的發光材料。固體雷射工作物質由基質材料和激活離子組成，其各種物理和化學性質主要由基質材料決定，而其光譜特性和螢光壽命等則由激活離子的能級結構決定。自1960年，研製成功人造紅寶石脈衝雷射器以來，迄今為止，已發現了數百種雷射晶體，但因各種原因，能真正得到實際應用的雷射晶體只有十來種。
鉺離子的能級非常豐富，發射波長從可見到近紅外共有九個躍遷通道，其中1.5μm雷射對人眼安全，在雷射醫療、雷射測距、雷射通信等領域有著廣泛的應用，對Er3+摻雜雷射材料的研究也越來越受到人們的重視。但由於泵浦源的限制，Er3+在廉價的半導體二極體發射波長的吸收較弱，如果增加Er3+的濃度又容易造成濃度淬滅，這就提高了Er3+雷射的振蕩閾值。而Yb3+在975nm附近有強吸收峰，正好處於技術成熟的半導體雷射器的發射波段(InGaAs，波長0.9-1.1μm)，非常適合LD泵浦。並且Yb3+的能級結構簡單，可以避免象濃度淬滅、上轉換等能量浪費過程。Yb3+離子的上能級2F5/2和Er3+離子的能級4I11/2非常接近，因此Yb3+可作為敏化離子，吸收泵浦源的能量後，傳遞給Er3+，實現有效的能量傳遞，從而提高泵浦效率，降低雷射振蕩閾值。
目前國內外都在積極尋找各種物理、化學性能和機械性能優異，且易於生長出高光學質量、大尺寸並適合於LD泵浦的優質雷射晶體材料。雙摻鉺鐿硼酸釓鈣雷射晶體及其製備方法和用途，其發明的目的就在於研製一種新的雷射晶體，能夠直接使用閃光燈和LD泵浦的，具有較高轉換效率的雷射晶體材料。
發明內容
本發明的目的就在於研製一種新的雷射晶體Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4，能夠直接使用閃光燈和LD泵浦的，具有較高轉換效率的雷射晶體材料。
Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體屬於正交晶系，具有Pnam空間群結構。其中鉺和鐿離子是作為摻雜離子，取代釓離子的晶格位置，鉺和鐿的摻雜濃度在0.05at％～10at％之間，螢光壽命(τ)為0.5～0.8ms，其螢光壽命是鉺離子濃度的函數，可根據不同的需要摻入不同濃度的餌離子。實驗結果表明其可輸出1.5μm左右波長的雷射，可作為雷射晶體。
Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體是一種同成分熔化的化合物，是採用提拉法生長出的，按化學反應式的比例進行稱樣、混合、壓片，而Er2O3和Yb2O3則按所需濃度加入。所用原料為
其主要生長條件如下生長是在銥坩鍋中、惰性氣體(如N2、Ar等)氣氛下進行，晶體生長的參數為生長溫度1410℃左右，提升速度為0.5～2.0毫米/小時，晶體轉速10～25轉/分鐘，生長出了高質量的Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體。
將生長出的Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體，在四圓衍射儀上進行了衍射數據的收集，結構分析表明，其屬於正交晶系，空間群為Pnam，晶胞參數為a＝7.193(1)，b＝15.543(3)，c＝8.616(1)，V＝963.23，密度4.6g/cm3；採用油浸法測得其折射率為1.78。
將生長出的Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體，進行吸收光譜、螢光光譜及螢光壽命等分析測試，結果表明鉺離子摻雜濃度為1at.％，鐿離子摻雜濃度為10at.％的Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體的主吸收峰在977nm，其半峰寬為7nm，吸收係數為22cm-1，較大的半峰寬非常適合於採用InGaAs半導體雷射來進行泵浦，有利於雷射晶體對泵浦光的吸收，提高泵浦效率。其發射峰1533nm的半峰寬(FWHM)為97nm，螢光壽命為0.59ms，因為螢光壽命長的晶體能在上能級積累更多的粒子，增加了儲能，有利於器件輸出功率和輸出能量的提高。因此，Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體能得到較大的輸出，是一種高轉換效率、低成本、高光學質量和有實際應用前景及使用價值的雷射晶體。
Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體可用提拉法非常容易地生長出質量優良的晶體，生長速度快，晶體質地堅硬，具有良好的導熱性能，有優良的光學特性，很容易用閃光燈泵浦和LD泵浦獲得雷射輸出，雷射輸出波長為1.5μm左右，該晶體是一種有實際應用前景及使用價值的雷射晶體。
具體實施例方式
實現本發明的實驗優選方式如下實施例1提拉法生長摻雜濃度為0.5at.％Er3+和5at.％Yb3+的Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4雷射晶體。
將按配比準確稱量好的CaCO3、Gd2O3、H3BO3、Er2O3和Yb2O3混合研磨均勻，壓片後，放入φ60×40mm3的鉑坩鍋中，在馬弗爐中於800℃固相反應12小時；取出後，重新研磨壓片再升溫至1200℃反應24小時。將合成好的以上樣品放入銥坩鍋中，採用提拉法，在N2氣氛中，生長溫度為1410℃、晶體轉速為15轉/分鐘，拉速為1毫米/小時的情況下，生長出了尺寸為25×20×20mm3的高質量的Er3+、Yb3+含量分別為0.5at.％、5.0at.％的Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體。
實施例2提拉法生長摻雜濃度為1at.％Er3+和10at.％Yb3+的Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4雷射晶體。
將按配比準確稱量好的CaCO3、Gd2O3、H3BO3、Er2O3和Yb2O3混合研磨均勻，壓片後，放入φ60×40mm3的鉑坩鍋中，在馬弗爐中於800℃固相反應12小時；取出後，重新研磨壓片再升溫至1200℃反應24小時。將合成好的以上樣品放入銥坩鍋中，採用提拉法，在N2氣氛中，生長溫度為1400℃、晶體轉速為10轉/分鐘，拉速為1毫米/小時的情況下，生長出了尺寸為30×22×20mm3的高質量的Er3+、Yb3+含量分別為1at.％、10at.％的Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶體。
權利要求
1.一種雙摻鉺鐿硼酸釓鈣雷射晶體，其特徵在於該晶體的分子式為Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4，Er3+和Yb3+離子摻雜濃度在0.05at.-10at.％之間，屬於正交晶系，空間群為Pnma，晶胞參數為a＝7.193(1)，b＝15.543(3)，c＝8.616(1)，V＝963.23，密度4.6g/cm3，折射率1.78。
2.一種權利要求1的雙摻鉺鐿硼酸釓鈣雷射晶體的製備方法，該晶體採用提拉法生長，其特徵在於生長溫度1410℃左右，提升速度為0.5～2.0毫米/小時，晶體轉速為10～25轉/分鐘。
3.一種權利要求1的雙摻鉺鐿硼酸釓鈣雷射晶體的用途，其特徵在於該晶體用於固體雷射器中作為雷射工作物質。
全文摘要
雙摻鉺鐿硼酸釓鈣雷射晶體及其製備方法與用途涉及人工晶體領域。採用提拉法生長，在1410℃左右，以10－25轉/分鐘的晶體轉速，0.5－2毫米/小時的拉速，生長出了高質量、較大尺寸的Er
文檔編號C30B15/00GK1916242SQ20051009043
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月15日 優先權日2005年8月15日
發明者王國富, 韋波, 林州斌, 胡祖樹, 張莉珍 申請人:中國科學院福建物質結構研究所