專利名稱：摻釹硼酸釔鍶激光晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子功能材料技術(shù)領(lǐng)域中的人工晶體和晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域，尤其是涉及一種固態(tài)激光器中的工作物質(zhì)的激光晶體材料。
背景技術(shù)：
激光晶體是固體激光器的工作物質(zhì)，它是指以晶體為基質(zhì)，通過(guò)分立的發(fā)光中心吸收泵浦光能量并將其轉(zhuǎn)化為激光輸出的發(fā)光材料。激光晶體的各種物理和化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)材料決定，而其光譜特性和熒光壽命等則由激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。自1960年，研制成功人造紅寶石脈沖激光器以來(lái)，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種激光晶體，但因各種原因，能真正得到實(shí)際應(yīng)用的激光晶體只有十來(lái)種。
目前，應(yīng)用最廣泛的激光晶體是摻釹離子的釔鋁石榴石(YAG)晶體，其具有較好的各種物理和化學(xué)性能，且易于生長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸的優(yōu)質(zhì)晶體。但它存在著吸收譜線窄，不適宜于用LD來(lái)進(jìn)行泵浦的缺點(diǎn)，而LD泵浦將是今后激光泵浦源的發(fā)展方向。
積極尋找各種物理、化學(xué)性能和機(jī)械性能優(yōu)異，且易于生長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸的優(yōu)質(zhì)激光晶體材料，而且該晶體要適合于LD泵浦，這是目前各國(guó)科學(xué)家正在進(jìn)行的工作。釹離子由于具有較好的光譜性能，廣泛地被用作激活離子；而硼酸鹽由于具有較好的物理化學(xué)和機(jī)械性能，也成為激光基質(zhì)材料的熱門之選。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于研制一種新的激光晶體摻釹硼酸釔鍶Nd:Sr3Y2(BO3)4，它能夠直接使用閃光燈和LD泵浦，是具有較高轉(zhuǎn)換效率的激光晶體材料。Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體屬于正交晶系，具有Pnma空間群結(jié)構(gòu)。其中釹離子是作為摻雜離子，取代釔離子的晶格位置，釹的摻雜濃度在0.5at％～15at％之間，熒光壽命(τ)為71.3-45.2μs，其熒光壽命是釹離子濃度的函數(shù)，可根據(jù)不同的需要摻入不同濃度的釹離子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可輸出1060nm波長(zhǎng)的激光，可作為激光晶體。
Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體是一種同成分熔化的化合物，可采用提拉法生長(zhǎng)，按化學(xué)反應(yīng)式的比例進(jìn)行稱樣、混合、壓片，而Nd2O3則按所需濃度加入，所用原料為Nd2O3(純度99.95％，中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所)、Y2O3(純度99.99％，中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所)、SrCO3(純度99.95％，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司)、H3BO3(純度99.99％，北京化工廠)，生長(zhǎng)采用鉑坩鍋、在惰性氣體(如N2、Ar等)氣氛下進(jìn)行，晶體生長(zhǎng)的參數(shù)為生長(zhǎng)溫度1313～1358℃左右，提拉速度為0.5～2.mm/h，晶體轉(zhuǎn)速為15～30rmp，生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體。
將生長(zhǎng)出的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體，在四圓衍射儀上進(jìn)行了衍射數(shù)據(jù)的收集，結(jié)構(gòu)分析表明，其屬于正交晶系，空間群為Pnma，晶胞參數(shù)為a＝8.70167，b＝15.96203，c＝7.39176，V＝1026.693，Z＝4，采用油浸法測(cè)得其折射率為1.74。
將生長(zhǎng)出的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體，進(jìn)行吸收光譜、熒光光譜及熒光壽命等的分析測(cè)試，結(jié)果表明(以摻5at％Nd3+的Sr3Y2(BO3)4晶體為例)Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體的主吸收峰在807nm，其半峰寬為15nm，吸收躍遷截面為6.36×10-20cm2，在807nm處較大的半峰寬非常適合于采用AsGaAl半導(dǎo)體激光來(lái)進(jìn)行泵浦，有利于激光晶體對(duì)泵浦光的吸收，提高泵浦效率。其在1060nm處的發(fā)射躍遷截面σem為1.07×10-19cm2，半峰寬(FWHM)為30.2nm，熒光壽命為51.7μs，因?yàn)闊晒鈮勖L(zhǎng)的晶體能在上能級(jí)積累更多的粒子，增加了儲(chǔ)能，有利于器件輸出功率和輸出能量的提高。因此，Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體能得到較大的輸出，是一種高轉(zhuǎn)換效率、低成本、高光學(xué)質(zhì)量和有實(shí)際應(yīng)用前景及使用價(jià)值的激光晶體。
Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體可用提拉法非常容易地生長(zhǎng)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的晶體，生長(zhǎng)速度快，晶體質(zhì)地堅(jiān)硬，具有良好的導(dǎo)熱性能，有優(yōu)良的光學(xué)特性，很容易用閃光燈泵浦和LD泵浦獲得激光輸出，激光輸出波長(zhǎng)為1060nm，該晶體可作為一種較好的激光晶體。用該晶體制成的固體激光器用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域。
本發(fā)明的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體是一種同成份熔化的化合物，可以采用提拉法生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)周期短、可獲得高質(zhì)量大尺寸的晶體。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中找到合適的固相合成方法及較佳的生長(zhǎng)條件，采用提拉法已生長(zhǎng)出尺寸為Φ24.6mm×56mm的高光學(xué)質(zhì)量的晶體。
具體實(shí)施例方式
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方式如下實(shí)施例1提拉法生長(zhǎng)摻雜濃度為2.0at.％Nd3+的Nd:Sr3Y2(BO3)4激光晶體。
將按配比準(zhǔn)確稱量好的SrCO3、Y2O3、H3BO3、Nd2O3混合研磨均勻，壓片后，放入φ60×40mm3的鉑坩鍋中，在馬弗爐中于900℃固相反應(yīng)12小時(shí)，再升溫至1020℃反應(yīng)10小時(shí)。將合成好的以上樣品放入提拉爐中，采用提拉法，在N2氣氛中，生長(zhǎng)溫度為1313℃、晶體轉(zhuǎn)速為10rmp，拉速為1mm/h的情況下，生長(zhǎng)出了尺寸為30×28×20mm3的高質(zhì)量的Nd3+含量為2.0at.％的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體。
實(shí)施例2提拉法生長(zhǎng)摻雜濃度為5.0at.％Nd3+的Nd:Sr3Y2(BO3)4激光晶體。
將按配比準(zhǔn)確稱量好的SrCO3、Y2O3、H3BO3、Nd2O3混合研磨均勻，壓片后，放入φ60×40mm3的鉑坩鍋中，在馬弗爐中于950℃固相反應(yīng)10小時(shí)，再升溫至1050℃反應(yīng)8小時(shí)。將合成好的以上樣品放入提拉爐中，采用提拉法，在Ar氣氛中，生長(zhǎng)溫度為1330℃、晶體轉(zhuǎn)速為5rmp，拉速為0.7mm/h的情況下，生長(zhǎng)出了尺寸為27×25×23mm3的高質(zhì)量的Nd3+含量為5.0at.％的Nd:Sr3Y2(BO3)4晶體。
權(quán)利要求
1.一種摻釹硼酸釔鍶激光晶體，其特征在于該晶體的分子式為Nd:Sr3Y2(BO3)4，屬于正交晶系，空間群為Pnma，晶胞參數(shù)為a＝8.70167，b＝15.96203，c＝7.39176，V＝1026.693，Z＝4，折射率為1.74。
2.如權(quán)利要求1所述的摻釹硼酸釔鍶激光晶體，其特征在于在該晶體中，Nd3+離子作為摻雜離子，取代晶體中Y3+離子的晶格位置，其摻雜濃度為0.5at～15at％。
3.一種權(quán)利要求1的摻釹硼酸釔鍶激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用提拉法生長(zhǎng)，晶體的生長(zhǎng)溫度為1313～1358℃，提拉速度為0.5～2mm/h，晶體轉(zhuǎn)速為15～30rmp。
4.一種權(quán)利要求1的摻釹硼酸釔鍶激光晶體的用途，其特征在于該晶體用于固體激光器中作為激光工作物質(zhì)，使用閃光燈或激光二極管(LD)作為泵浦源，激發(fā)產(chǎn)生1060nm波長(zhǎng)的激光輸出。
5.一種權(quán)利要求1的摻釹硼酸釔鍶激光晶體的用途，其特征在于用該晶體制成的固體激光器用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及人工晶體領(lǐng)域，特別是涉及一種激光晶體材料摻釹硼酸釔鍶Nd:Sr
文檔編號(hào)C01B35/12GK1621575SQ20031011667
公開日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2003年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月26日
發(fā)明者王國(guó)富, 張彥, 林州斌, 胡祖樹, 張莉珍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所