一種復(fù)合石榴石化合物摻鐿硅鋁酸釔鎂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子功能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及作為激光和飛秒激光材料。
【背景技術(shù)】
[0002]飛秒激光是當(dāng)今激光前沿技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，直接應(yīng)用于精細(xì)加工和激光通訊，同時在醫(yī)學(xué)、核物理、飛秒脈沖光譜學(xué)以及超高速光通信等領(lǐng)域有著重要的地位。隨著大功率激光二極管的迅速發(fā)展，全固態(tài)飛秒激光器的研制和生產(chǎn)成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的熱點，飛秒激光材料作為其核心工作物質(zhì)，已經(jīng)成為整個激光技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重點之一。
[0003]以釔鋁石榴石(Y3A15012)為代表的石榴石材料具有各向同性、高熱導(dǎo)率、高光學(xué)質(zhì)量、優(yōu)異的機械強度和物化性能等特點，特別是在1微米附近激光輸出方面，經(jīng)過近50年的研究和發(fā)展，摻鐿釔鋁石榴石(Yb:Y3Al5012)已經(jīng)成為一種十分重要的激光材料和飛秒激光材料。隨著大功率激光二極管的發(fā)展，中高功率的飛秒激光在工業(yè)和科技領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的角色，薄盤激光技術(shù)可以有效的解決激光媒介的散熱問題，自其誕生和發(fā)展以來被認(rèn)為是輸出中高功率飛秒激光的重要激光技術(shù)。瑞士科學(xué)家J.Aus der Au等人在2000年首次進(jìn)行了薄盤鎖模激光實驗，以摻鐿釔鋁石榴石晶體作為增益介質(zhì)獲得了脈寬為730fs輸出功率高達(dá)16.2W的脈沖激光。2014年德國科學(xué)家W.Schneider等人成功將輸出功率提高到100W以上，脈沖寬度為800fs。瑞士 Clara J.Saraceno等人對近十幾年的薄盤鎖模激光技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，摻鐿釔鋁石榴石是最早應(yīng)用到該項激光技術(shù)上的材料，也是目前為止應(yīng)用最為廣泛的，薄盤鎖模技術(shù)將傳統(tǒng)鎖模技術(shù)得到的W級功率成功提高到100W級，開創(chuàng)了中高功率飛秒激光的新篇章。然而，其獲得的脈沖寬度卻被限制在了 700-800fs左右，根本原因在于摻鐿釔鋁石榴石在1030nm附近的發(fā)射峰太過尖銳，其半峰寬僅僅只有9nm。眾所周知，越寬的發(fā)射譜帶越有利于獲得更短的脈沖激光，而對于摻鐿釔鋁石榴石來講，尖銳的發(fā)射峰是它成為理想中高功率飛秒激光材料的致命缺陷。
[0004]無序結(jié)構(gòu)是指晶體中某些格位同時被多種原子占據(jù)，這種結(jié)構(gòu)在長程范圍內(nèi)有序，但部分格位點是無序的。當(dāng)激活離子摻入具有無序結(jié)構(gòu)的基質(zhì)晶體中后，如果所替代原子的格位是無序的，則會出現(xiàn)多個發(fā)光中心并產(chǎn)生迭加效應(yīng)，從而導(dǎo)致其吸收和發(fā)射譜帶展寬。Ca4Y0(B03)3、Ca4Gd0(B03)3、CaGaA104、CaYA10jP SrY4(Si04)30 等很多激光晶體都得益于這種無序結(jié)構(gòu)而使得摻入激活離子后獲得較寬的吸收和發(fā)射譜帶。因此，將結(jié)構(gòu)分析與光譜和激光性能相結(jié)合，針對摻鐿釔鋁石榴石通過設(shè)計和構(gòu)造無序結(jié)構(gòu)來展寬其摻Y(jié)b3+后的吸收和發(fā)射譜帶，從而有望縮短以其作為增益介質(zhì)所獲得的激光脈寬。
[0005]鎂鋁石榴石[Mg3Al2(Si04)3]是一種天然的石榴石，它同樣具有高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的機械強度和物化性能。由于其和釔鋁石榴石同屬石榴石結(jié)構(gòu)，特征離子(Y3+和Mg2+;4配位Al3+和Si 4+)之間離子半徑十分接近，因此將適量鎂鋁石榴石摻入釔鋁石榴石后可形成一種復(fù)合石榴石。由于該復(fù)合石榴石中出現(xiàn)了金屬陽離子Y3+和Mg2+之間的統(tǒng)計分布，即構(gòu)造了具有無序結(jié)構(gòu)的復(fù)合石榴石，當(dāng)激活離子Yb3+摻入后，會同時占據(jù)Y3+和Mg2+的位置，出現(xiàn)多個發(fā)光中心，從而展寬其光譜帶寬。展寬后的吸收譜帶將更適合激光二極管直接栗浦，而展寬后的發(fā)射譜帶將有利于輸出更短脈寬的飛秒激光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于公開一種復(fù)合石榴石化合物摻鐿硅鋁酸釔鎂，其化學(xué)式為YbxY3x yMgyAl5 ySiy012，Yb摻雜含量為0〈x彡1.5，Mg和Si的摻雜含量均為0〈y彡1.5，其相比較摻鐿釔鋁石榴石具有更寬的吸收和發(fā)射帶寬，更加適合激光二極管栗浦，并有利于獲得更短脈寬的中高功率飛秒激光。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]具體化學(xué)方程式為:
[0009]xYb203+ (3-x-y) Y203+2yMg0+ (5-y) Al203+2ySi02= 2Yb XY3 x yMgyAl5 ySiy012
[0010]其中，Yb摻雜含量為0〈x ( 1.5，Mg和Si的摻雜含量均為0〈y ( 1.5。所用原料及純度為:Yb203(99.99% )、Y203(99.99% ), A1203 (分析純)、Si02(分析純)和 MgO(分析純)。
[0011]摻鐿硅鋁酸釔鎂的合成采用高溫固相法，合成環(huán)境為空氣，具體過程如下:初始原料為Yb203、Y203、A1203、S1jP MgO，根據(jù)化學(xué)方程式按照化學(xué)計量比稱取原料；在球磨機中研磨攪拌均勻后壓制成塊料；將塊料置于剛玉杯中后再置于馬弗爐中并升溫至1200-1400°C，恒溫?zé)Y(jié)合成10-50個小時；降至室溫取出后重新研磨混合均勻，壓制成塊料后再次置于馬弗爐中并升溫至1400-1600°C ;恒溫?zé)Y(jié)合成10-50個小時，降至室溫后取出。
[0012]對摻鐿硅鋁酸釔鎂進(jìn)行了 X射線粉末衍射分析，所得衍射圖譜的峰型和峰位均與ICSD數(shù)據(jù)庫里釔鋁石榴石純相保持一致，說明所得到的化合物具有和釔鋁石榴石一樣的石榴石結(jié)構(gòu)。對摻鐿硅鋁酸釔鎂進(jìn)行了粉末吸收光譜和發(fā)射光譜測試，結(jié)果表明其吸收光譜和發(fā)射光譜相比較摻鐿釔鋁石榴石均出現(xiàn)了展寬現(xiàn)象，而且隨著鎂鋁石榴石摻雜含量的增加展寬更加明顯。因此，本發(fā)明中所制備的摻鐿硅鋁酸釔鎂有望成為更加適合激光二極管栗浦的中高功率飛秒激光材料，同時還可以較好地解決摻鐿釔鋁石榴石在薄盤鎖模激光應(yīng)用中的脈沖寬度無法進(jìn)一步縮短的難點。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0014]實施例1:
[0015]制備摻鐿硅鋁酸釔鎂YbxY3 x yMgyAl5 ySiy012(x = 0.3 ；y = 0.3,0.6,0.9，1.2，1.5)，初始原料為Yb2o3、Y203、A1203、S1jP MgO，根據(jù)化學(xué)方程式按照化學(xué)計量比分別稱取原料；在球磨機中研磨攪拌均勻后壓制成塊料；將塊料置于剛玉杯中后再置于馬弗爐中并升溫至1200-1400°C，恒溫?zé)Y(jié)合成10-50個小時；降至室溫取出后重新研磨混合均勻，壓制成塊料后再次置于馬弗爐中并升溫至1400-1600°C ;恒溫?zé)Y(jié)合成10-50個小時，降至室溫后取出。X射線粉末衍射分析表明五種化合物的物相與ICSD數(shù)據(jù)庫中釔鋁石榴石純相保持一致，說明其具有石榴石結(jié)構(gòu)；粉末吸收光譜分析表明，五種化合物在933nm附近的吸收半峰寬分別為57nm、64nm、65nm、74nm和81nm，在965nm附近的吸收半峰寬分別為25nm、26nm、27nm、28nm和30nm，相比摻鐿乾招石植石在940nm附近18nm的半峰寬和在968nm附近4nm的半峰寬均有明顯的展寬，而且展寬隨著鎂鋁石榴石含量的增加而更加明顯；發(fā)射光譜分析表明，五種化合物在1030nm附近的吸收半峰寬分別為13nm、15nm、17nm、20nm和28nm，相比摻鐿釔鋁石榴石在1030nm附近9nm的半峰寬均有明顯的展寬，而且展寬隨著鎂鋁石榴石含量的增加而更加明顯。
【主權(quán)項】
1.摻鐿硅鋁酸釔鎂，其特征在于:化學(xué)式為YbXY3 x yMgyAl5 ySiy012，Yb摻雜含量為0〈x彡1.5，Mg和Si的摻雜含量均為0〈y彡1.5，屬于石植石結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的摻鐿硅鋁酸釔鎂的用途，其特征在于:該化合物可用于制備成熒光粉、激光陶瓷和激光晶體。3.如權(quán)利要求1所述的摻鐿硅鋁酸釔鎂的用途，其特征在于:由該化合物制備的熒光粉、激光陶瓷和激光晶體可用于產(chǎn)生連續(xù)激光、可調(diào)諧激光和飛秒激光。
【專利摘要】本發(fā)明屬于光電子功能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及作為激光和飛秒激光材料，它提供了一種復(fù)合石榴石化合物摻鐿硅鋁酸釔鎂，化學(xué)式為YbxY3-x-yMgyAl5-ySiyO12，Yb摻雜含量為0<x≤1.5，Mg和Si的摻雜含量均為0<y≤1.5。摻鐿硅鋁酸釔鎂的合成方法采用高溫固相法，合成環(huán)境為空氣，結(jié)構(gòu)類型屬于石榴石結(jié)構(gòu)，其相比較摻鐿釔鋁石榴石具有更寬的吸收和發(fā)射帶寬，更加適合激光二極管泵浦，并有利于獲得更短脈寬的中高功率飛秒激光。
【IPC分類】C01B33/26, H01S3/17
【公開號】CN105293509
【申請?zhí)枴緾N201510824864
【發(fā)明人】孫士家, 林州斌, 黃溢聲, 苑菲菲, 張莉珍
【申請人】中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月24日