專利名稱：鐿摻雜氟化镥鋰晶體的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光晶體材料的制備方法，尤其是一種鐿摻雜氟化镥鋰晶體的制備方法。
背景技術：
自第一臺激光器發(fā)明以來激光技術就得到了突飛猛進的發(fā)展，并在工業(yè)、醫(yī)療、信息科學、生物技術和軍事等領域得到了廣泛的應用。隨著激光功率的提高，高能激光可以用于多種材料的切割、鉆孔、焊接和表面處理等方面。目前正在研究的高能激光推進技術，利用地面發(fā)射的激光給火箭發(fā)動機的推進劑供能，形成高溫高壓氣體或等離子體，產生火箭推力。高能激光系統(tǒng)還可用于向空間軌道衛(wèi)星供能，以延長衛(wèi)星壽命；還可以在空間收集太陽能，將其轉換為激光能量，向地面進行能量定向傳輸，再轉換為熱能或電能應用。采用半導體激光器泵浦的全固態(tài)激光器由于具有了體積小、效率高，壽命長和光速質量號等特點被廣泛研究，其中高功率大能量固體激光器是固體激光器發(fā)展的一個重要方向。Yb3+離子為能級結構最簡單的激活離子，電子構型為[Xe]4f13，僅有兩個電子態(tài)，基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài)2F5/2，相隔大約lOOOOcnT1，更高的激發(fā)態(tài)在5d構型內，與2F5/2相距約lOOOOcnT1，在紫外波段。這就使得Yb3+具有不存在激發(fā)態(tài)吸收、無上轉換、可實現(xiàn)高摻雜濃度、量子效率高和熒光壽命長等優(yōu)點而用作高能量激光材料的激活離子。國際上有許多高功率激光系統(tǒng)上都使用了摻Yb激光材料，如美國的Mercury (Yb S-FAP)、德國的 Polaris(YbiGlass)、法國 Lucia(Yb:YAG)等。美國 Mercury 激光裝置采用 Yb:S_FAP 晶體， 而大尺寸高質量的Yb: S-FAP晶體生長技術在最近幾年才得到突破，它一直影響了 Mercury 的進度。目前Mercury的Yb: S-FAP晶體可以生長到Φ 120mm，其激光輸出在60J/10Hz/l ω， 并預計很快會到達lOOJ/lOHz/Ι ω。但Yb: S-FAP晶體熱導率太低只有2w/mk，不利于系統(tǒng)熱管理和重頻運行，熒光壽命1. 14ms，略顯偏小。近幾年來，摻Yb的氟化物晶體受到人們的極大關注。與氧化物相比，氟化物基質材料從深紫外到紅外很寬的范圍都具有很高的透過率；其低的折射率降低了其在激光泵浦時產生的非線性效應；低的聲子能量降低了相鄰能級間的非輻射躍遷的幾率，而具有長的熒光壽命，從而有利于儲能。其中最好的例子就是CaF2和LiYF4氟化物晶體，與LiYF4同屬四方晶系結構的LiLuF4晶體近來備受關注，與Yb = CaF2晶體相比YbLiLuF4不僅具有與其相近的熒光壽命(2. 5ms)，而且具有較大的發(fā)射截面；與LiYF4相比LiLuF^e0體具有更低的聲子能量(440CHT1)，同時由于Lu離子和Yb離子具有相近的離子半徑和質量，不但可以實現(xiàn)高濃度摻雜，而且摻雜前后晶體的熱導率變化很小，因此研究Yb = LiLuF4激光晶體對發(fā)展高能量激光器具有重要意義。目前對Yb LiLuF4晶體生長技術都是慣用的制備氟化物晶體的方法，無論是采用提拉法還是下降法，都需要通入高純氣體和采用光譜純級的原料，甚至還要在氟化氣氛下進行生長。這就使得該晶體生長工藝設備龐大復雜(大型真空晶體生長爐和氣體凈化設備)；原料和氣體純度的高要求，已致使晶體生長成本大大提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種鐿摻雜氟化镥鋰晶體的制備方法，該方法的特點在通常的大氣氣氛下，采用化學反應脫氧的方法制備鐿摻雜氟化镥鋰晶體，具有工藝簡便，設備簡單、生長成本低的特點。。本發(fā)明的技術解決方案如下一種鐿摻雜氟化镥鋰晶體的制備方法，其特點在于該方法包括下列步驟①選用純度大于99. 99%的LiF、LuF3和YbF3，選定χ值后按下列方程式的配比進行配料，LiF+xYbF3+(I-X) LuF3 = Ybx:LiLu(1_x)F4其中χ = 0. 1 35mol. %，經混合后形成鐿摻雜氟化镥鋰晶體的原料；②將所述的原料經200 300°C脫水4 6小時后，加入0. 05-0. Ig脫氧劑混合均勻，放入壁厚為0. 15 0. 3mm的有底坩堝后嚴實密封；③將所述的坩堝置于下降爐中大氣氣氛下，溫度為900 960°C的高溫區(qū)熔料4 6小時，然后坩堝以0. 5 1. 2mm/h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為25 40°C /cm,生長結束后以20 40°C /h速率冷卻至室溫。所述的脫氧劑為碳粉、橡膠或CF4。本發(fā)明技術的技術效果在國際上首次成功地在大氣氣氛下，采用化學脫氧技術，利用坩堝下降法生長出直徑大于40mm、長度大于IOOmm的優(yōu)質Yb = LiLuF4晶體。本發(fā)明與傳統(tǒng)生長方法的特點在于(1)無需真空、通任何氣氛和加壓的條件；(2)無需龐大復雜生長設備；(3)工藝簡便，設備簡單、生長成本低。


圖1本發(fā)明方法采用的爐子結構示意中1_提拉裝置，2-氧化鋁保溫蓋，3-氧化鋁管，4-高溫區(qū)，5-鉬金桿，6_加熱熱源，7-鉬金坩堝，8-熔體，9-控溫熱電偶，10-監(jiān)測熱電偶，11-低溫區(qū)，12-晶體。圖2是本發(fā)明實施例子2生長晶體的室溫吸收光譜圖3是本發(fā)明實施例子2生長晶體的室溫熒光光譜
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明方法采用的爐子，用馬達帶動變速齒輪組實現(xiàn)可調節(jié)恒定速率下降，爐子高溫區(qū)采用四根硅化碳棒作為加熱體，低溫區(qū)無加熱裝置?？販匮b置采用鉬-銠熱電偶，爐子的內襯材料為氧化鋁泡沫磚，具體結構如圖1所示。圖1本發(fā)明方法采用的爐子結構示意圖，圖中1_提拉裝置，2-氧化鋁保溫蓋，3-氧化鋁管，4-高溫區(qū)，5-鉬金桿，6-加熱熱源，7-鉬金坩堝，8-熔體，9-控溫熱電偶，10-監(jiān)測熱電偶，11-低溫區(qū)，12-晶體。生長晶體采用鉬金作為坩堝材料，根據(jù)晶體所需的尺寸和形狀加工成有底坩堝，坩堝高度一般比粉料高度高出約四分之一，壁厚為0. 15-0. 3mm，取決于晶體生長的體積，坩堝為一次性使用。本發(fā)明鐿摻雜氟化镥鋰晶體的制備方法，包括下列步驟①選用純度大于99. 99%的LiF、LuF3和YbF3，選定χ值后按下列方程式的配比進行配料，LiF+xYbF3+ (1-χ) LuF3 = Ybx LiLu(1_x)F4其中χ = 0. 1 35mol. %，經混合后形成鐿摻雜氟化镥鋰晶體的原料；②將所述的原料經200 300°C脫水4 6小時后，加入0. 05-0. Ig脫氧劑混合均勻，放入壁厚為0. 15 0. 3mm的有底坩堝后嚴實密封；③將所述的坩堝置于下降爐中溫度為900 960°C的高溫區(qū)熔料4 6小時，然后坩堝以0. 5 1. 2mm/h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為25 400C /cm,生長結束后以20 40°C /h速率冷卻至室溫。所述的脫氧劑為碳粉、橡膠或CF4。下面是具體實施例實施例1 =LiYbacmLua 999F4 晶體生長將YbF3、LiF和LuF3按本實施例的晶體的結構式LiYbacmLua 999F4配料混合后在經 200°C 6小時脫水烘干，加入0.05g碳粉作為脫氧劑混合均勻，加入尺寸為Φ30Χ150尖底鉬金坩堝中，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為900°C的高溫區(qū)熔料5小時，然后坩堝以1.2mm/h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為25°C /cm，生長結束后以20°C /h速率冷卻至室溫。實施例2 =LiYb0. 05Lu0. 95f4 晶體生長將YbF3、LiF和LuF3按本實施例的晶體的結構式LiYba 05Lu0.95F4配料混合后經 2500C 5小時脫水烘干，并加入0. 05g橡膠作為脫氧劑混合均勻，放入尺寸為Φ 40 X 40 X 180 平底鉬金坩堝中，坩堝壁厚0. 2mm。放入純的LiLuFde0體作為籽晶，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為920°C的高溫區(qū)熔料6小時，然后坩堝以0. 8mm/ h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為30°C /cm，生長結束后以 300C /h速率冷卻至室溫。晶體取出后沿a向加工成IOX IOX Imm3的樣品進行光譜測試， 吸收光譜如圖2所示，熒光光譜如圖3所示。實施例3 =LiYb0. !Lu0.9F4 晶體生長將YbF3、LiF和LuF3按本實施例的晶體的結構式LiYba山叫.9F4配料混合后經 3000C 4小時脫水烘干，并加入0. 05g CF4作為脫氧劑混合均勻，放入尺寸為Φ 30 X 180尖底鉬金坩堝中，放入純的LiLuF^e0體作為籽晶，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為960°C的高溫區(qū)熔料4小時，然后坩堝以lmm/h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為30°C /cm，生長結束后以25°C /h速率冷卻至室溫。實施例4 =LiYb0.2Lu0.8F4 晶體生長將YbF3、LiF和LuF3按本實施例的晶體的結構式LiYba 2Lu0.8F4配料混合后經 2500C 6小時脫水烘干，并加入0. Ig碳粉作為脫氧劑混合均勻，放入尺寸為Φ 40 X 40 X 220 平底鉬金坩堝中，坩堝壁厚0. 25mm，純的LiLuFue0體作為籽晶，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為940°C的高溫區(qū)熔料5小時，然后坩堝以0. 5mm/h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為40°C /cm，生長結束后以35°C / h速率冷卻至室溫。實施例 5 =LiYb0. 3Lu0. 7F4 晶體生長將YbF3、LiF和LuF3按本實施例的晶體的結構式LiYba 3Lu0.7F4配料混合后經 2000C 5小時脫水烘干，并加入0. Ig橡膠作為脫氧劑混合均勻，放入尺寸為Φ 40 X 220尖底鉬金坩堝中，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為950°C的高溫區(qū)熔料4小時，然后坩堝以0. 7mm/h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為40°C /cm,生長結束后以40°C /h速率冷卻至室溫。實施例6 =LiYb0. 35Lu0.65F4 晶體生長將YbF3、LiF和LuF3按本實施例的晶體的結構式LiYba 35Lu0.65F4配料混合后經 200°C 5小時脫水烘干，并加入0. Ig CF4作為脫氧劑混合均勻，放入尺寸為Φ30Χ150尖底鉬金坩堝中，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為960°C的高溫區(qū)熔料4小時，然后坩堝以lmm/h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為30°C /cm，生長結束后以25°C /h速率冷卻至室溫。上述實施例經測試，其吸收光譜和熒光光譜均有實施例2類似的結果。實驗表明本發(fā)明具有工藝簡便，設備簡單、生長成本低的特點。
權利要求
1.一種鐿摻雜氟化镥鋰晶體的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟①選用純度大于99.99%的LiF、LuF3和YbF3，選定χ值后按下列方程式的配比進行配料，LiF+xYbF3+(1-χ) LuF3 = Ybx:LiLu(1_x)F4其中x = 0. i 35mol. %，經混合后形成鐿摻雜氟化镥鋰晶體的原料；②將所述的原料經200 300°C脫水4 6小時后，加入0.05-0. Ig脫氧劑混合均勻， 放入壁厚為0. 15 0. 3mm的有底坩堝后嚴實密封；③將所述的坩堝置于下降爐中大氣氣氛下，溫度為900 960°C的高溫區(qū)熔料4 6小時，然后坩堝以0. 5 1. 2mm/h速率下降，此時晶體固液界面處士0. 5cm范圍內的溫度梯度為25 40°C /cm,生長結束后以20 40°C /h速率冷卻至室溫。
2.根據(jù)權利要求1所述的鐿摻雜氟化镥鋰晶體的制備方法，其特征在于所述的脫氧劑為碳粉、橡膠或CF4。
全文摘要
一種鐿摻雜氟化镥鋰晶體的制備方法，給出在非真空、不加壓和不通任何氣氛的條件下，利用坩堝下降法生長出優(yōu)質鐿摻雜氟化镥鋰激光晶體。本發(fā)明具有工藝簡便，設備簡單、生長成本低的特點。
文檔編號C30B29/12GK102230218SQ20111015175
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權日2011年6月8日
發(fā)明者何曉明, 尹繼剛, 弓娟, 張連翰, 杭寅, 胡鵬超, 趙呈春 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所