專利名稱：自激活激光晶體硼酸鈧鍶鐿及其制備方法
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，尤其是涉及一種作為固態(tài)激光器中的工作物質(zhì)的激光晶體材料。
背景技術(shù)：
固體激光工作物質(zhì)由基質(zhì)材料和激活離子組成，其各種物理和化學(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。
自激活激光晶體，指的是晶體本身的組成成分中就含有激活離子的晶體，激活離子不是作為摻雜離子摻雜進(jìn)去的。由于它含有較高濃度的激活離子，因此，一直是科學(xué)家追求的目標(biāo)。世界上第一個(gè)自激活激光晶體是1972年發(fā)現(xiàn)的(H.G.Danielmeyer，H.P.Weber，J.Quant.Electro.QE-8(1972)805.)，隨后又發(fā)現(xiàn)了多個(gè)的自激活激光晶體，但由于他們都存在著各種不同的缺陷，無(wú)法投入實(shí)際使用。目前，最著名的自激活激光晶體是硼酸釹鋁晶體[NdAl3(BO3)4，NAB]，其激光實(shí)驗(yàn)已獲得成功，但由于其為非同成分熔化，要得到高光學(xué)質(zhì)量的晶體極為困難，限制了它的推廣使用。
目前國(guó)內(nèi)外都在積極尋找各種物理、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。和傳統(tǒng)的激光激活離子釹離子(Nd3+)相比，鐿離子(Yb3+)僅有兩個(gè)電子態(tài)，能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換，光轉(zhuǎn)換效率高；材料的熱負(fù)荷較低，僅為摻釹離子同種基質(zhì)材料的1/3；熒光壽命長(zhǎng)，為釹離子的三到四倍，不易出現(xiàn)濃度猝滅；吸收帶在900-1000nm波長(zhǎng)范圍，吸收帶較寬，適合于用InGaAs激光二極管泵浦。因此，摻鐿離子的激光材料正受到越來(lái)越廣泛的重視。

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，能夠直接使用閃光燈和LD泵浦的，具有較高轉(zhuǎn)換效率的、能發(fā)射1020nm波長(zhǎng)激光的晶體材料。
本發(fā)明的YbSr6Sc(BO3)6晶體屬于三方晶系，具有R3空間群結(jié)構(gòu)，其晶胞參數(shù)為a＝12.242，c＝9.246，V＝12003，Dc＝4.48g/cm3。其中鐿離子是作為自激活離子，其熒光壽命(τ)為160μs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可輸出1020nm波長(zhǎng)的激光，可作為激光晶體。
硼酸鈧鍶鐿是一種同成分熔化的化合物，我們經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)找到了采用提拉法(Czochralski方法)和熔鹽法生長(zhǎng)YbSr6Sc(BO3)6晶體的較理想的生長(zhǎng)條件，并生長(zhǎng)出了高質(zhì)量、較大尺寸的YbSr6Sc(BO3)6晶體(見實(shí)施例1、2和3)。
具體的化學(xué)反應(yīng)式如下
所用的原料純度及廠家如下

提拉法生長(zhǎng)硼酸鈧鍶鐿自激活激光晶體，其主要生長(zhǎng)條件如下生長(zhǎng)是在鉑坩鍋中、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1236℃左右，提升速度為0.5～2.0毫米/小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速為5～20轉(zhuǎn)/分鐘。
助熔劑方法生長(zhǎng)硼酸鈧鍶鐿自激活激光晶體，其主要生長(zhǎng)條件如下所用助熔劑為L(zhǎng)i6B4O9或LiBO2-LiF，其中LiBO2和LiF的重量比為(75～95)∶(25～5)，助熔劑總的濃度控制在15wt.～60wt.％之間，生長(zhǎng)溫度在960-865℃溫度區(qū)間內(nèi)，降溫速率為1-4℃/天，晶體轉(zhuǎn)速為5-30轉(zhuǎn)/分鐘。
將生長(zhǎng)出的YbSr6Sc(BO3)6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，其屬于三方晶系，空間群為R3，晶胞參數(shù)為a＝12.242，c＝9.246，V＝12003，Dc＝4.48g/cm3。
將生長(zhǎng)出的YbSr6Sc(BO3)6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YbSr6Sc(BO3)6晶體中，Yb3+的濃度為2.47×1021cm-3，晶體的主吸收峰在977nm，半峰寬(FWHM)9nm，吸收躍遷截面1.31×10-20cm2，在977nm處較大的半峰寬非常適合于采用InGaAs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1020nm處有最強(qiáng)的熒光發(fā)射峰，其發(fā)射躍遷截面σem為0.85×10-20cm2，半峰寬為47nm，熒光壽命(τ)為160μs，因?yàn)棣摇う又递^大的晶體能在上能級(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，YbSr6Sc(BO3)6晶體能得到較大的激光輸出，由于能較容易地得到高光學(xué)質(zhì)量的晶體，因而它可望成為一種新的高轉(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)值的自激活激光晶體。
總之，本發(fā)明的YbSr6Sc(BO3)6晶體可用提拉法和熔鹽法非常容易地生長(zhǎng)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的晶體，生長(zhǎng)工藝穩(wěn)定，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1020nm，該晶體可作為一種較好的激光晶體。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1提拉法生長(zhǎng)YbSr6Sc(BO3)6激光晶體。
將按化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確稱量好的Yb2O3、SrCO3、Sc2O3、H3BO3混合研磨均勻，壓片后，在馬弗爐中于950℃固相反應(yīng)24小時(shí)，再升溫至1050℃反應(yīng)15小時(shí)。將合成好的以上樣品裝入φ60×40mm3的鉑坩鍋中，放入提拉爐中，采用提拉法，在N2氣氛中，生長(zhǎng)溫度為1236℃、晶體轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/分鐘，拉速為1毫米/小時(shí)的情況下，生長(zhǎng)出了尺寸為φ28×20mm3的高質(zhì)量的YbSr6Sc(BO3)6晶體。
實(shí)施例2以Li6B4O9為助熔劑生長(zhǎng)YbSr6Sc(BO3)6激光晶體。
生長(zhǎng)原料為YbSr6Sc(BO3)6∶Li6B4O9＝75∶25(重量比)。采用熔鹽頂部籽晶法，在φ60×50mm鉑坩鍋中，生長(zhǎng)溫度為960→895℃之間，以2℃/天的降溫速率，15轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，生長(zhǎng)出了尺寸為30×28×15mm3的高質(zhì)量的YbSr6Sc(BO3)6晶體。
實(shí)施例3以LiBO2-LiF為助熔劑生長(zhǎng)YbSr6Sc(BO3)66激光晶體。
生長(zhǎng)原料為YbSr6Sc(BO3)6∶LiBO2∶LiF＝75∶20∶5(重量比)。采用熔鹽頂部籽晶法，在φ60×50mm鉑坩鍋中，生長(zhǎng)溫度為945→875℃之間，以3℃/天的降溫速率，20轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，生長(zhǎng)出了尺寸為26×23×16mm3的高質(zhì)量的YbSr6Sc(BO3)6晶體。
權(quán)利要求
1.一種自激活激光晶體硼酸鈧鍶鐿，其特征在于該晶體的分子式為YbSr6Sc(BO3)6，屬于三方晶系，空間群為R3，晶胞參數(shù)為a＝12.242，c＝9.246，V＝12003，Dc＝4.48g/cm3。
2.如權(quán)利要求1所述的硼酸鈧鍶鐿激光晶體，其特征在于在該晶體中，作為晶體組成成分的Yb3+離子，其本身即為激光激活離子。
3.一種權(quán)利要求1的硼酸鈧鍶鐿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)，生長(zhǎng)條件為溫度1236℃左右，5-20轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，0.5-2毫米/小時(shí)的拉速。
4.一種權(quán)利要求1的硼酸鈧鍶鐿激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用熔鹽法生長(zhǎng)，所用助熔劑為L(zhǎng)i6B4O9，助熔劑濃度控制在15wt.～60wt.％之間，生長(zhǎng)溫度在980-905℃溫度區(qū)間內(nèi)，降溫速率為1～3℃/天，晶體轉(zhuǎn)速為5-20轉(zhuǎn)/分鐘。
5.一種權(quán)利要求1的硼酸鈧鍶鐿激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用熔鹽法生長(zhǎng)，所用助熔劑為L(zhǎng)iBO2-LiF，LiBO2和LiF的重量比為(75～95)∶(25～5)，助熔劑濃度控制在15wt.～60wt.％之間，生長(zhǎng)溫度在950-865℃溫度區(qū)間內(nèi)，降溫速率為2～4℃/天，晶體轉(zhuǎn)速為10-30轉(zhuǎn)/分鐘。
6.一種權(quán)利要求1的硼酸鈧鍶鐿激光晶體的用途，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1020nm波長(zhǎng)的激光輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的硼酸鈧鍶鐿激光晶體的用途，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)域中。
全文摘要
自激活激光晶體硼酸鈧鍶鐿及其制備方法涉及人工晶體領(lǐng)域，特別是涉及一種自激活激光晶體硼酸鈧鍶鐿(YbSr
文檔編號(hào)C30B29/10GK1704509SQ20041004432
公開日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月25日
發(fā)明者林州斌, 王國(guó)富, 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