專利名稱：摻鐿硅酸釓激光晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可調(diào)諧超快激光晶體，具體涉及一種摻鐿硅酸釓激光晶體及其制備方法，摻鐿硅酸釓激光晶體的化學(xué)式為Yb2xGd2(1-x)SiO5(0.001≤x≤0.40)(簡稱為YbGSO)。本發(fā)明所述的YbGSO晶體可以應(yīng)用于寬帶可調(diào)諧和超快激光技術(shù)領(lǐng)域中。
背景技術(shù)：
摻鐿(Yb)離子的激光材料(單晶體、玻璃、透明陶瓷和光纖等)在900-980nm范圍具有較強(qiáng)的吸收，能與高效的InGaAs激光二極管(LD)有效地耦合，在1000nm附近具有較寬的發(fā)射帶，非常適合于高效LD泵浦可調(diào)諧固體激光輸出，十分有利于在1000nm附近實(shí)現(xiàn)超快高功率激光輸出。Yb激光材料的發(fā)射譜帶越寬，愈容易實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧和高功率超快激光的輸出。因此，近年來尋求具有寬發(fā)射譜的Yb摻雜激光增益介質(zhì)材料引起了人們的極大興趣。一般而言，Yb離子占據(jù)基質(zhì)中低對(duì)稱性的格位或多種格位非常有利于Yb吸收和發(fā)射光譜的寬化。至今，已發(fā)現(xiàn)有較寬發(fā)射譜帶適宜于寬調(diào)諧超快激光輸出的Yb激光材料主要有YbPhosphate QX玻璃，YbSr3Y(BO3)3(YbBOYS)，YbSrY4(SiO4)3(YbSYS)，YbY2SiO5(YbYSO)和YbLu2SiO5(YbLSO)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.30 p.857)，這些材料的主要光譜等物理性能如下表1所示，從表1中可知YbSYS晶體具有相對(duì)較寬的發(fā)射半高寬(約70nm)，較高的發(fā)射截面，十分有利于超快激光輸出(已有LD泵浦94fs/130mW輸出的報(bào)道，參見2002年的Opt.Lett.，第27卷，第197頁)，但是該晶體的熱導(dǎo)率相對(duì)較低(只有2.85W/mK//c)，這對(duì)高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)十分不利。而且，YbSYS晶體生長溫度高、組分多，生長優(yōu)質(zhì)單晶難度大，因此極大地限制了該晶體的應(yīng)用。和YbSYS晶體相比，表1
表1一些寬發(fā)射可調(diào)諧超快Yb激光材料的性能

中所列的YbCaF2，YbYSO和YbLSO晶體的熱導(dǎo)率相對(duì)較高(約4-5W/mK)，這些晶體的發(fā)射半高寬(約50nm)相對(duì)較窄，且發(fā)射截面也比較小(約為YbSYS的一半)。另外，表1中所列的Yb磷酸鹽玻璃雖然制備容易，但和Yb晶體相比，其熱導(dǎo)率低、發(fā)射截面小，很難在高功率超快激光方面有所發(fā)展。
綜上所述，在先技術(shù)中使用的寬調(diào)諧超快高功率Yb摻雜激光材料的綜合性能欠佳寬發(fā)射譜帶和高熱導(dǎo)率不能同時(shí)兼有，而且部分晶體的制備較難，還遠(yuǎn)不能滿足日益發(fā)展的LD泵浦的全固態(tài)寬調(diào)諧高功率超快激光應(yīng)用的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服在先技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種兼有寬發(fā)射半高寬和較高熱導(dǎo)率、容易制備的摻鐿硅酸釓Yb摻雜激光晶體材料Yb2xGd2(1-x)SiO5(0.001≤x≤0.4)(簡稱為YbGSO)及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種摻鐿硅酸釓激光晶體，其特征在于該激光晶體的分子式為Yb2xGd2(1-x)SiO5，其中x的取值范圍為0.001≤x≤0.4。
一種摻鐿硅酸釓激光晶體的制備方法，其特征在于按下列工藝步驟進(jìn)行<1>選定x值后，按摻鐿硅酸釓激光晶體YbGSO的分子式Y(jié)b2xGd2(1-x)SiO5中對(duì)應(yīng)各組分的摩爾量稱取一定量的干燥的、純度大于99.995％的Yb2O3，Gd2O3和SiO2原料，原料組分的具體摩爾配比如下所示Yb2O3∶Gd2O3∶SiO2＝x∶(1-x)∶1，其中x的取值范圍為0.001≤x≤0.4；<2>將上述稱取的各組分原料充分混合成均勻的混合粉料；<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，料餅直徑略小于坩堝容器直徑，在低于1200℃的溫度下燒結(jié)30小時(shí)；<4>將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的銥金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱銥坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；<5>采用b軸的Gd2SiO5(GSO)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，YbGSO晶體的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2氣體或N2+2vol％的O2，晶體生長速度為0.5-3mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15-40rpm，晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束；
<6>從提拉爐內(nèi)取出的YbGSO激光晶體在空氣氣氛中進(jìn)行退火處理，退火溫度為1000-1300℃，保溫時(shí)間20小時(shí)，升溫或降溫速度為30℃/hr。
所述Gd2SiO5籽晶為a軸、c軸或者其它特殊結(jié)晶方向的Gd2SiO5晶體。
所述的退火之后的YbGSO激光晶體，按激光的要求進(jìn)行切割加工和鍍膜。
硅酸釓晶體(Gd2SiO5，或GSO)屬于一致熔融化合物，熔點(diǎn)約為1950℃，具有P21/C結(jié)構(gòu)，晶體具有優(yōu)良的物化性能，容易生長較大尺寸的高光學(xué)質(zhì)量單晶體。由于GSO晶格中具有兩個(gè)低對(duì)稱性的稀土格位(Gd1為9配位，Gd2為7配位)，晶體結(jié)構(gòu)無序度高，容易使摻入其中的Yb離子的吸收和發(fā)射峰非均勻加寬，有利于實(shí)現(xiàn)寬發(fā)射。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體也具有P21/C單斜結(jié)構(gòu)，隨著Yb濃度的增加，也即隨著Yb2xGd2(1-x)SiO5(0.001≤x≤0.4)中x的增大，其晶格常數(shù)(a，b，c和β)也隨著變化，其中0.9120(1)nm≤a≤0.9128(1)nm，0.693(1)nm≤b≤0.7050(2)nm，0.6630(5)nm≤c≤0.6774(1)nm，107.3°≤β≤107.5°。本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體具有相對(duì)高的熱導(dǎo)率(k)，熱導(dǎo)率的數(shù)值約為4.4-5W/mK之間。
本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體材料具有如

圖1所示的YbGSO晶體的吸收和發(fā)射光譜特征1)吸收波長范圍在900-980nm，其中包含三個(gè)主要吸收峰899nm，920nm和976nm，其吸收截面約為0.2-0.5×10-20cm2，可有效與900-980nm范圍的LD進(jìn)行耦合；2)發(fā)射譜帶在1000nm-1120nm，其中包含1030nm，1050nm和1080nm三個(gè)強(qiáng)發(fā)射峰，這三個(gè)發(fā)射峰的發(fā)射截面約為0.2-0.5×10-20cm2；
本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體材料具有如圖2所示的YbGSO晶體的寬發(fā)射增益截面(σgain＝βσem-(1-β)σabs)，圖2中對(duì)應(yīng)不同的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)β，YbGSO晶體具有不同的增益截面，其中對(duì)應(yīng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)β＝0.5時(shí)，其發(fā)射半高寬約為70nm，和表1中YbSYS晶體相同，是截至目前最寬的發(fā)射增益。從圖2中可知，本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體具有1010nm-1100nm波長輸出的激光調(diào)諧范圍，可應(yīng)用于高功率超快激光技術(shù)領(lǐng)域中。另外，本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體上能級(jí)的壽命約為0.7-1.0ms，也十分有利于儲(chǔ)能。
本發(fā)明所述的YbGSO晶體在1030nm、1050nm和1080nm處具有較高的發(fā)射截面(約為0.3-0.5×10-20cm2)，因此，本發(fā)明所述的YbGSO晶體可以在上述三個(gè)激光波長處產(chǎn)生激光振蕩。本發(fā)明所述的YbGSO晶體特別適于采用920nmLD泵浦，在1080nm處的實(shí)現(xiàn)激光輸出，該運(yùn)轉(zhuǎn)模式克服了由于通常Yb的泵浦波長和發(fā)射波長差小而造成難以鍍膜的困難，有利于實(shí)現(xiàn)長波長(1080nm)的高功率激光輸出。
本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體和在先技術(shù)中的寬發(fā)射超快Yb激光材料相比，具有1)寬發(fā)射1010-1100nm(離子反轉(zhuǎn)數(shù)β=0.5時(shí)，半高寬約為70nm)；2)較高的熱導(dǎo)率，和YbYSO、YbLSO及YbCaF2等Yb激光晶體相近(約為4.5-5W/mK)，是YbSYS晶體的1.7倍多；3)晶體生長容易，物化性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。是目前綜合性能最好的一種寬調(diào)諧Yb激光材料，有望在可調(diào)諧高功率超快等激光技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
圖例說明圖1是本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體的吸收和發(fā)射光譜特征圖。
圖2是本發(fā)明所述的YbGSO激光晶體的寬發(fā)射高增益光譜圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1制備Yb0.002Gd1.998SiO5激光晶體按照上述工藝步驟<1>按上述Yb0.002Gd1.998SiO5分子式分別稱取純度為99.999％的干燥的0.001mol Yb2O3，0.999mol Lu2O3，1mol SiO2原料，共1300g；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(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在低于1200℃的溫度下燒結(jié)30小時(shí)；按上述工藝步驟<4>將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟<5>采用b軸的Gd2SiO5(GSO)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，YbGSO晶體的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為3mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15rpm。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為Φ35×80mm；按上述工藝步驟<6>從提拉爐內(nèi)取出的YbGSO激光晶體需要在空氣氣氛中進(jìn)行退火處理，退火溫度約為1000-1300℃，保溫時(shí)間20小時(shí)，升降溫速度為30℃/hr。按上述工藝步驟<7>將退火后的YbGSO激光晶體按激光的要求進(jìn)行切割加工和鍍膜。
該Yb0.002Gd1.998SiO5激光晶體具有寬調(diào)諧(1010-1100nm)高發(fā)射截面特征，可以應(yīng)用于LD泵浦的寬調(diào)諧超快激光領(lǐng)域。
實(shí)施例2制備Yb0.2Gd1.8SiO5激光晶體按照上述實(shí)施例1中工藝步驟<1>按分子式Y(jié)b0.2Gd1.8SiO5分別稱取純度為99.999％的干燥的0.1mol Yb2O3，0.9mol Lu2O3和1mol SiO2原料共1300g；重復(fù)上述實(shí)施例1中工藝步驟<2><3><4>；按上述實(shí)施例1中工藝步驟<5>采用b軸的GSO晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，YbGSO晶體的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2+2vol％的O2氣體，晶體生長速度為1mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為30RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為Φ35×80mm；重復(fù)上述實(shí)施例1中步驟<6><7>；最后獲得的YbGSO晶體的光譜性能與說明書圖1和圖2相同，該晶體可以應(yīng)用于寬調(diào)諧高功率超快激光技術(shù)領(lǐng)域中。
實(shí)施例3制備Yb0.8Gd1.2SiO5激光晶體按照上述實(shí)施例2中工藝步驟<1>按分子式Y(jié)b0.8Gd1.2SiO5分別稱取純度為99.999％的干燥的0.4mol Yb2O3，0.6mol Lu2O3和1mol SiO2原料共1300g；重復(fù)上述實(shí)施例2中工藝步驟<2><3><4>；按上述實(shí)施例2中步驟<5>采用采用與
軸成60度角，與
軸成30度角，并與(100)解離面平行的GSO籽晶進(jìn)行提拉法生長，YbGSO晶體的生長溫度約為2030℃，生長氣氛為N2+2vol％的O2氣體，晶體生長速度為0.5mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為40RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，最后可以獲得Φ35×80mm的YbGSO激光晶體；按上述實(shí)施例2中工藝步驟<6>將晶體進(jìn)行退火，晶體無色透明；重復(fù)上述工藝步驟<7>將YbGSO晶體進(jìn)行加工，晶體的光譜性能與說明書圖1和圖2相同，該晶體可以應(yīng)用于寬調(diào)諧高功率超快激光技術(shù)領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種摻鐿硅酸釓激光晶體，其特征在于該激光晶體的分子式為Yb2xGd2(1-x)SiO5，其中x的取值范圍為0.001≤x≤0.4。
2.一種摻鐿硅酸釓激光晶體的制備方法，其特征在于按下列工藝步驟進(jìn)行<1>選定x值后，按摻鐿硅酸釓激光晶體Yb:GSO的分子式Y(jié)b2xGd2(1-x)SiO5中對(duì)應(yīng)各組分的摩爾量稱取一定量的干燥的、純度大于99.995％的Yb2O3，Gd2O3和SiO2原料，原料組分的具體摩爾配比如下所示Yb2O3∶Gd2O3∶SiO2＝x∶(1-x)∶1，其中x的取值范圍為0.001≤x≤0.4；<2>將上述稱取的各組分原料充分混合成均勻的混合粉料；<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，料餅直徑略小于坩堝容器直徑，在低于1200℃的溫度下燒結(jié)30小時(shí)；<4>將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的銥金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱銥坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；<5>采用b軸的Gd2SiO5(GSO)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Yb:GSO晶體的生長溫度約為2000℃，生長氣氛為N2氣體或N2+2vol％的O2，晶體生長速度為0.5-3mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15-40rpm，晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束；<6>從提拉爐內(nèi)取出的Yb:GSO激光晶體在空氣氣氛中進(jìn)行退火處理，退火溫度為1000-1300℃，保溫時(shí)間20小時(shí)，升溫或降溫速度為30℃/hr。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻鐿硅酸釓激光晶體的制備方法，其特征在于所述Gd2SiO5籽晶為a軸、c軸或者其它特殊結(jié)晶方向的Gd2SiO5晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的摻鐿硅酸釓激光晶體的制備方法，其特征在于所述的退火之后的Yb:GSO激光晶體，按激光的要求進(jìn)行切割加工和鍍膜。
全文摘要
一種摻鐿硅酸釓激光晶體及其制備方法，該激光晶體的分子式為Yb
文檔編號(hào)H01S3/16GK1694322SQ200510025560
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者趙廣軍, 徐軍, 介明印, 蘇良碧, 徐曉東, 張連翰, 何曉明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所