專利名稱：摻鐿鉬酸釓鋇鉀激光晶體及其制備方法
技術領域：
本發明涉及光電子功能材料技術領域，尤其是涉及一種作為具有寬吸收帶的，適合InGaAs 二極管激光器泵浦的固態激光器工作物質的激光晶體材料。
背景技術：
自1960年美國的梅曼(T. H. Maiman)在實驗室中用人造紅寶石晶體發明了世界上第一臺激光器以來，全固態激光器得到了飛速的發展。而1961年首次在CaF2 = Sm3+晶體中實現的激光輸出揭開了大力研究三價稀土離子作為受激發射的激活離子固態激光晶體 的序幕。到二十世紀80年代中期，隨著半導體二極管的迅猛發展，利用其優異性能研制的二極管激光器(LD)作為新型泵浦源來替代傳統的閃光燈泵浦源，被廣泛的引入到激光器中，大大提高了激光器的輸出效率，促進了激光技術的飛速發展。LD泵浦激光器是指利用激光二極管作為泵浦源來激勵激光晶體，產生激光振蕩。這種新型泵浦源的優點在于[I] LD具有高得多的光譜和空間亮度、高的光電轉換效率、長的壽命和輸出輻射在時間波形上有更大的靈活性。[2]目前LD的發光波長己經從紫色延伸到中紅外，作為泵浦源的AlGaAs，AlGaIn和InGaAs激光二極管的發射峰分別處于797 810 nm, 670^690 nm和900 1100 nm，這些范圍覆蓋了 Nd3+等多種三價稀土離子的主要吸收帶，吸收效率較高，避免了過多的熱損耗。[3]這種泵浦源對激光晶體的尺寸要求相對于閃光燈泵浦源要小的多，放寬了晶體生長難度的要求，相對更容易獲得可以用于研制激光器的介質晶體。而且，小尺寸的晶體介質可以減少泵浦時的高能量存儲和隨之而來的激光晶體內在的熱能，從而減少了激光器的熱負荷。基于以上所述關于LD泵浦源的優點，其已經成為當今激光器研制中最常用最主要的泵浦源。為了充分利用和發揮LD泵浦源的優勢，就需要獲得與其相匹配的優質激光晶體。主要要求在于[I]激光晶體要有較寬的吸收帶。這是由于LD的半峰寬為疒3 nm，波長隨溫度變化率為O. 2^0. 3 nm/°C，所以較寬的吸收帶不僅有利于激光晶體對泵浦光的吸收，而且降低了對器件的溫度控制的要求。[2]長的熒光壽命(τ )。熒光壽命長的晶體能在上能級積累起更多的粒子，增加了儲能能力，有利于器件輸出功率或能量的提高。[3]大的發射躍遷截面(σ)。由于脈沖和連續激光閾值分別與ο及ο · τ成反比。故而大的σ更有利于實現激光振蕩。目前，在激光晶體領域，摻鐿離子的激光晶體是研究得最為廣泛的激光晶體之一。鐿離子有諸多其他激活離子不具備的優點。例如，離子能級簡單，上下兩個能級在基質的晶場作用下可能進行斯塔克分裂形成準三能級系統，為實現激光輸出提供了可能性。簡單的能級也杜絕了能級間復雜的能量傳遞，有利于激光性能的優化。而且，這種簡單的能級特性也使得此種離子沒有濃度猝滅現象發生。分裂的斯塔克能級能夠使得摻鐿的激光晶體呈現出不同程度的寬帶吸收和發射。該離子在980nm處寬的吸收帶有利于用InGaAs激光器泵浦。而其寬帶發射是研制超短脈沖激光器的先決條件，而且峰寬越大越有利于獲得超短脈沖。目前，能夠實現超短脈沖輸出的摻鐿的玻璃及晶體材料還不太多，而且脈寬也較大。盡管摻鐿的玻璃材料實現的脈寬比摻鐿的晶體有更短的脈沖輸出，但是玻璃材料的的能量利用率很低，整體性能也不夠理想。所以尋找更多晶體作為激活離子鐿離子的基質材料以實現更短脈沖輸出，同時提高效率是當下激光晶體領域的一個重要方向。鑰酸釓鋇鉀晶體，其結構中的鉀離子和鋇離子以等幾率占據同一個位置，造成了晶體結構一定程度的無序性，這種無序性使得替代釓離子的鐿離子周圍的晶場產生大的畸變從而導致其能級的進一步分裂，吸收和發射譜線獲得進一步的加寬。因此，摻鐿鑰酸釓鋇鉀激光晶體可以成為新的超短脈沖激光晶體。
發明內容
本發明的目的就在于研制一種新的激光晶體，其具有寬的吸收帶，較大吸收發射截面，適合于采用LD泵浦，具有較好的各種綜合性能，能夠實現較高質量的超短激光脈沖輸出。 鑰酸釓鋇鉀[KBaGd(MoO4)3]屬于單斜晶系，具有C2/m空間群結構，是一種很好的激光基質材料。鐿離子作為激光激活離子可摻入晶格中，取代釓離子的晶格位置，其摻雜濃度在lat9T5at%之間。其熒光壽命與鐿離子濃度有直接關系，可根據不同的需要摻入不同濃度的釓離子。實驗結果表明其在976nm附近的吸收半峰寬可達到60nm以上，大于大多數鎢鑰酸晶體，而在發射波長IOlOnm左右處的發射截面超過3 X l(T2°cm2，也大于多數摻鐿鎢鑰酸鹽激光晶體。本發明的技術方案如下具體的化學反應式K2C03+2BaC03+xYb203+ (1-x) Gd203=2KBaGd(1_x) Ybx (MoO4) 3+3C02K2C03+2Mo03=Na2Mo207+C02所用的原料純度及廠家
藥品名ψΓ^.[T^
GdA99. 99%中國醫藥集團上海化學試劑公司
YbA99. 99%中國醫藥集團上海化學試劑公司
99. 95%中國醫藥集團上海化學試劑公司
BaCO399. 95%中國醫藥集團上海化學試劑公司
99. 99%中國醫藥集團上海化學試劑公司在實驗的基礎上，我們找到了助熔劑方法生長摻鐿鑰酸釓鋇鉀[Yb3+IKBaGd(MoO4)3]晶體的較理想的助熔劑=K2Mo2O7及少量的添加劑KF，并探索出最佳的生長條件，生長出了較高質量的Yb3+: KBaGd(MoO4)3晶體(見實施例I)。助熔劑方法生長摻鐿鑰酸釓鋇鉀，其主要生長條件如下所用助熔劑為K2Mo2O7，助熔劑的濃度在75 85at%2間，另外添加少量的KF作為添加劑，用量在lat-5at%，生長溫度在915 930°C之間，降溫速率為O. 5^1. 50C /天，晶體轉速為5 30rpm。將生長出的Yb3+: KBaGd (MoO4) 3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，其屬于單斜晶系，C2/m空間群，具體晶胞參數a=17. 401 (11) A,b=12. 226(8) A, c= 5.324(4) A, β = 106. 19(1)°, V= 1087. 73(373) A3, Z=4, D =4. 967 g. cm—3。對生長出的Yb3+ = KBaGd(MoO4)3晶體，進行吸收光譜、常溫和低溫熒光光譜及熒光壽命等的分析測試。從該晶體的室溫下的吸收光譜，可見在90(Tl050nm之間呈現寬帶吸收，有三個明顯的尖峰，分別對應于上能級的能級分裂。對于4. lat%的Yb3+ = KBaGd (MoO4) 3晶體，976nm處的吸收截面為I. 69X 10_2°cm2，吸收半峰寬為60nm。其室溫下的熒光光譜在IOlOnm附近呈現出很強的熒光發射，其發射截面為3. 17 X 10_2°cm2，熒光壽命為524 μ S。
本發明的摻鐿鑰酸釓鋇鉀[Yb3+: KBaGd(MoO4)3]晶體，能夠用助熔劑法較快地生長出質量優良的晶體，生長工藝簡便，原料易得，機械性能良好，且具有優良的光學特性，能夠直接使用閃光燈和LD泵浦等諸多優點，該晶體可作為一種較好的激光晶體。
具體實施例方式下面結合具體實施例，對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。實施例I :以K2Mo2O7為助熔劑生長摻雜濃度為15at. % Yb3+的Yb3+: KBaGd (MoO4) 3激光晶體。采用助熔劑法，將按配比稱量的原料充分研磨均勻后放入Φ60Χ50πιπι鉬坩鍋中，原料與助溶劑的摩爾比為=KBaGd (MoO4)3: K2Mo2O7=I: 4 (摩爾比)，摻入15at%的Yb2O3,并加入約2at%的KF作為添加劑，用以改善晶體生長的環境，降低粘度。混合后的原料在熔鹽爐中升溫至飽和點溫度以上約五十度，恒溫一天。晶體生長溫度為915 — 930°C之間，以1°C /天的降溫速率，10轉/分鐘的晶體轉速，生長出了尺寸為50 X 40 X 9mm3的較好質量的Yb3+:KBaGd(MoO4)3晶體。經ICP (等離子發射光譜)分析表明晶體中Yb3+離子含量為4. I at%。
權利要求
1.一種摻鐿鑰酸釓鋇鉀激光晶體，其特征在于該晶體的分子式為Yb3+:KBaGd(MoO4)3,屬于單斜晶系，具有C2/m空間群結構，晶胞參數為a=17.401 (11) A, b=12. 226(8) A, c=5.324(4) A, β = 106. 19(1)°, V= 1087. 73(373) A3, Z=4, D = 4.967 g. cnT3。
2.如權利要求I所述的摻鐿鑰酸釓鋇鉀，其特征在于作為摻雜離子的Yb3+離子其價態為+3價，取代釓離子的晶格位置，其摻雜濃度在lat9Tl5at%之間。
3.—種權利要求I所述的摻鐿鑰酸釓鋇鉀激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用助熔劑法生長，所用助熔劑為K2Mo2O7,濃度在75at 85at%之間，生長溫度區間在915 930°C之間，降溫速率為O. 5 I. 5°C /天，晶體轉速為5 30rpm。
全文摘要
本發明提供摻鐿鉬酸釓鋇鉀激光晶體及其制備方法。該晶體屬于單斜晶系，空間群為C2/m，晶胞參數為a=17.401 (11) , b=12.226(8) , c=5.324(4) , β= 106.19(1)o, V=1087.73(373) 3, Z=4, D=4.967 g.cm-3。該晶體可采用助熔劑法生長。該晶體呈現出較寬的吸收和發射譜帶。其吸收帶在976nm處的吸收截面為1.69×10-20cm2，吸收半峰寬為60nm。在約1010nm處的發射截面超過3×10-20cm2。該晶體可成為一種新的超短脈沖激光晶體，并獲得實際應用。
文檔編號C30B9/12GK102877132SQ20121040778
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月22日 優先權日2012年10月22日
發明者王國富, 余意, 林州斌, 張莉珍, 黃溢聲 申請人:中國科學院福建物質結構研究所