專利名稱：自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣的制作方法
技術領域：
自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣屬于光電子材料技術領域，特別是涉及作為固態(tài)激光器中的激光工作物質的自倍頻激光晶體。
背景技術：
倍頻是激光技術中經(jīng)常用到的一種改變激光束輸出波長的方法。它通常采用一塊專門的非線性光學晶體，置于激光束前面來改變激光束輸出波長。將激光振蕩與倍頻作用兩種技術集中在同一塊晶體上，獲得自倍頻激光，是科學家們長期以來追求的目標。
六十年代Johnson等人在摻Tm3+的LiNbO3同一塊晶體上，實現(xiàn)了1853nm到927nm的自倍頻激光輸出，但轉換效率只達到10-6數(shù)量級[L.F.Johnson andA.A.Ballman，J.Appl.Phys.，40(1969)297]。1989年羅遵度等人研究出高轉換效率的Nd3+:YAl3(BO3)4(簡稱NYAB)晶體，獲得532nm的綠色自倍頻激光[Luo Zundu(羅遵度)，Jiang Aidong(江愛棟)，Huang Yichuan(黃亦川)，Qiu Minwang(邱閩旺)，Chinese Phys.Lett.，6(1989)440]。但由于晶體自身缺陷引起的晶體質量問題，至今無實際應用。摻釹的GdAl3(BO3)4晶體作為一種自倍頻激光晶體材料，可獲得1060→530nm的綠色自倍頻激光輸出，激光輸出能量為1.55mJ[邱閩旺等，量子學報，17(2000)3，231～236]。另外，對Nd3+:GdAl3(BO3)4晶體采用自混頻技術，還獲得了435-460nm波長的藍光輸出，但其輸出能量只達到22μW，[D.Jaque，J.Capmany，F(xiàn).MoleroM，Applied Physics Letters，73(1998)253659]因而沒有實用價值。
在眾多的人工晶體中，鈮酸鹽類晶體占有很重要的地位，幾乎遍布了功能晶體的各個應用領域。如鈮酸鋰單晶是一種優(yōu)質的壓電、光電、鐵電晶體材料，具有高的機電耦合系數(shù)，低的聲傳播特性，廣泛應用于激光、聲表面波、全息照相和光貯存技術領域。鈮酸鉀是二十世紀60年代末發(fā)現(xiàn)的一種性能優(yōu)異的非線性光學晶體，它的非線性光學品質因數(shù)、電光品質因數(shù)在氧化物晶體中名列前茅，在激光頻率轉換、電光調制、光折變信息處理等高科技領域有著重要應用價值。鈮酸鍶鋇晶體則是最重要的一種熱釋電材料、廣泛應用于紅外探測技術。1996年制備成功的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛和鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛鐵電弛豫晶體由于其優(yōu)良的壓電、鐵電性能而令世人注目，廣泛應用于電子、激光、超聲、水聲、微聲、紅外、導航、生物等各個技術領域。其它的還有鈮酸鉀鋰、鈮酸鉛、鈮酸鋇鈉等等。在非線性光學應用方面，雖然鈮酸鉀的性能非常優(yōu)異，但是由于鈮酸鉀的生長存在困難，且由于是熔鹽法生長，存在著周期比較長的問題。鈮酸鋰可以用提拉法進行生長，但由于其光損傷閾值比較低，故很少應用于非線性光學領域，而主要是應用于電光調制、全息照相、光存貯技術等領域。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于公開一種全新的自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣，其分子式為Nd:Ca2Nb2O7，簡稱NCN。它是一種能夠直接使用閃光燈和LD泵浦的，具有較高轉換效率的、能發(fā)射1068nm和534nm波長激光的晶體材料。
本發(fā)明的Nd:Ca2Nb2O7晶體屬于單斜晶系，具有P21空間群結構，其晶胞參數(shù)為a＝7.700，b＝5.500，c＝13.373，β＝98.4°，V＝580.263，Dc＝4.33g/cm3，折射率為2.41。其中釹離子是作為激活離子，其熒光壽命(τ)為103μs。實驗結果表明其可輸出1068nm和534nm波長的激光，可作為自倍頻激光晶體。
摻釹鈮酸鈣是一種同成分熔化的化合物，我們經(jīng)過實驗找到了采用提拉法(Czochralski方法)生長Nd:Ca2Nb2O7晶體的較理想條件，并生長出了高質量的Nd:Ca2Nb2O7晶體。
具體的化學反應式如下
所用的原料純度及廠家如下CaCO3分析純99％ 上海泗聯(lián)化工廠Nb2O5分析純99.99％中國醫(yī)藥集團上?；瘜W試劑公司Nd2O3分析純99.99％中國科學院長春應用化學研究所采用提拉法生長摻釹鈮酸鈣自倍頻激光晶體，其主要生長條件如下銥坩鍋作為生長容器、在惰性氣體(如N2、Ar等)氣氛下進行，晶體生長的參數(shù)為生長溫度1600℃左右，提升速度為0.5～2.0毫米/小時，晶體轉速為5～20轉/分鐘。
將生長出的Nd:Ca2Nb2O7晶體，在四圓衍射儀上進行了衍射數(shù)據(jù)的收集，結構分析表明，其屬于單斜晶系，空間群為P21，晶胞參數(shù)為a＝7.700，b＝5.500，c＝13.373，β＝98.4°，V＝580.263，Dc＝4.33g/cm3；采用棱鏡法測得其折射率為2.41。
將生長出的Nd:Ca2Nb2O7晶體，進行吸收光譜、熒光光譜及熒光壽命等的分析測試，結果表明Nd:Ca2Nb2O7晶體中，Nd3+的濃度為3.68×1020cm-3，晶體的主吸收峰在806nm，吸收系數(shù)為11cm-1，半峰寬(FWHM)20nm，吸收躍遷截面2.85×10-20cm2，在806nm處較大的半峰寬非常適合于采用AsGaAl半導體激光來進行泵浦，有利于激光晶體對泵浦光的吸收，提高泵浦效率。其在1068nm處有最強的熒光發(fā)射峰，其發(fā)射躍遷截面σem為1.85×10-19cm2，半峰寬為20nm，熒光壽命(τ)為103μs，因為σ·τ值較大的晶體能在上能級積累更多的粒子，增加了儲能，有利于器件輸出功率和輸出能量的提高。因此，Nd:Ca2Nb2O7晶體能得到較大的激光輸出，由于其生長比較容易，能得到高光學質量的晶體，因而它可望成為一種新的高轉換效率、低成本、高光學質量和有實際應用前景及使用價值的自倍頻激光晶體，用于光譜學、生物醫(yī)學、軍事領域中的固體激光器。
用提拉法可以非常容易地生長出質量優(yōu)良的自倍頻激光晶體Nd:Ca2Nb2O7，其生長工藝穩(wěn)定，具有良好的導熱性能，有優(yōu)良的光學特性，很容易用閃光燈泵浦和LD泵浦獲得激光輸出，激光輸出波長為1068nm，通過自倍頻可獲得534nm波長的綠色激光，該晶體可作為一種較好的自倍頻激光晶體。
具體實施例方式
實施例1關于摻釹鈮酸鈣原料合成我們采用固相方法在高溫(1050℃)下燒結而成，其化學反應方程式如下
所用的化學試劑及生產(chǎn)廠家如下CaCO3分析純99％上海泗聯(lián)化工廠Nb2O5分析純99.99％ 中國醫(yī)藥集團上海化學試劑公司Nd2O3分析純99.99％ 中國科學院長春應用化學研究所這三種試劑的投料量如下CaCO395.086克Nb2O5132.905克Nd2O311.216克具體步驟是按上述劑量分別稱取試劑，將它們放入研缽中混合并仔細研磨，用φ45×40mm的有機玻璃模具在壓片機上壓成φ45×30mm的藥片，然后把藥片裝入φ60×60mm的銥金坩堝中，放入馬弗爐中用10個小時升溫至1050℃，恒溫10個小時后再用6個小時降溫到室溫取出坩堝，然后再把樣品取出重新研磨均勻，重復上述步驟一次，即可得到提拉生長NCN晶體用的原料。
實施例2關于摻釹鈮酸鈣單晶生長采用提拉法，用中頻感應加熱爐，用宇光708P控溫儀進行控溫。具體操作步驟是把盛有原料的銥金坩堝置于提拉爐內，升溫到1600℃讓原料熔化，恒溫約半個小時，首先用銥金絲作籽晶進行提拉生長，用得到的晶體切籽晶，再進行第二次生長，即可得到質量比較好的單晶體，生長晶體的條件為提拉速度為1毫米/小時，轉速為10轉/分鐘，生長氣氛為氮氣氣氛。采用這種方法可得到φ25×40mm的摻釹鈮酸鈣單晶體。
權利要求
1.一種自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣，其特征在于該晶體的分子式為Nd:Ca2Nb2O7，屬于單斜晶系，空間群為P21，晶胞參數(shù)為a＝7.700，b＝5.502，c＝13.373(3)，β＝98.4°，V＝580.263，Dc＝4.33g/cm3，折射率2.41。
2.如權利要求1所述的自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣，其特征在于在該晶體中，Nd3+離子作為摻雜離子，取代晶體中Ca2+離子的晶格位置，其摻雜濃度在0.05at～10at％之間。
3.一種權利要求1的自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣的制備方法，其特征在于該晶體采用提拉法生長，以CaCO3、Nb2O5和Nd2O3為原料，按化學反應式的比例稱樣、混合、壓片，而Nd2O3則按所需濃度加入，在銥金坩鍋中，惰性氣體氣氛下提拉生長出晶體，晶體生長的參數(shù)為生長溫度1600℃左右，提升速度為0.5～2.0毫米/小時，晶體轉速為5～20轉/分鐘。
4.如權利要求3所述的自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣的制備方法，其特征在于所述的惰性氣體是氮氣或氬氣。
5.一種權利要求1的自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣的用途，其特征在于該晶體用于光譜學、生物醫(yī)學、軍事領域中的固體激光器。
全文摘要
本發(fā)明涉及人工晶體領域，特別是涉及一種自倍頻激光晶體摻釹鈮酸鈣(Nd:Ca
文檔編號C30B15/00GK1847471SQ20051006545
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月5日 優(yōu)先權日2005年4月5日
發(fā)明者龍西法, 韓秀梅 申請人:中國科學院福建物質結構研究所