專利名稱：摻鐿正鈮酸鈣激光晶體及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光晶體，特別是一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體及其生長方法，化學(xué)式為YbxCa(1-2x/3)Nb206 ( 0.005《x《0.2),(簡稱為Yb: CaNb206)。本發(fā)明是一種用于產(chǎn)生lpm波段飛秒激光的激光晶體，它適 合于InGaAs 二極管泵浦。
背景技術(shù)：
摻鐿(Yb3+)激光材料在900—980nm范圍具有較強(qiáng)的吸收，能與高效 的InGaAs激光二極管(波長為900—1100nm)有效地耦合，加之它能級(jí)簡 單，抽運(yùn)波長與振蕩波長相近，量子效率高，這些優(yōu)點(diǎn)十分有利于在IOOOnm 附近實(shí)現(xiàn)超快高功率激光輸出。摻鐿激光材料的發(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，隨著高性能InGaAs激光二極管的發(fā) 展和成本的降低，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)中低對稱性的格位或多種 格位，非常有利于Yb的吸收和發(fā)射光譜的寬化。至今，己發(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Yb:Phosphate QX玻璃， Yb:Sr3Y(B03)3 (Yb:BOYS)， Yb:SrY4(Si04)3 (Yb:SYS)， Yb:Y2Si05 (Yb:YSO) 和Yb:Lu2Si05 (Yb丄SO)等材料(參見2002年J. Opt. Soc. B.,Vo1.19 (5), p.1083, 2004年Opt. Lett. Vol.29， p. 1879,和2005年Opt. Lett. Vol.30 p. 857)。飛秒激光在超快時(shí)間分辨光譜、微電子加工、光鐘、計(jì)量、全息、高容 量光通訊等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前商業(yè)化的飛秒激光器多為鎖模鈦 寶石激光器，但由于鈦寶石的吸收譜位于可見光的范圍，通常采用515nm氬 離子激光器或532nm的綠光激光器作為泵浦源，使激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了 其更廣泛的應(yīng)用。多年來人們一直在追求用激光二極管泵浦可以直接產(chǎn)生飛 秒激光輸出的激光材料，并希望研制成可以提供實(shí)際應(yīng)用的飛秒激光器。2006年，法國Y. Zaouter等人報(bào)道在Yb:CaGdA104晶體中實(shí)現(xiàn)激光二 極管泵浦的飛秒激光輸出。采用980nm光纖耦合激光二極管泵浦獲得了脈寬為46fs(飛秒)的鎖模激光輸出。在Yb:CaGdA104晶體中，Yb3+、 Ca2+ 和Gc^的離子半徑接近，導(dǎo)致離子在晶格位置的無序分布，從而引起光 譜線的非均勻展寬，有利于超短脈沖激光產(chǎn)生。在含有二價(jià)堿土金屬的基質(zhì)晶體中，當(dāng)摻入^L士離子時(shí)，稀土離子取 代二價(jià)堿土金屬離子格位，由于電荷補(bǔ)償?shù)挠绊?，晶體中出現(xiàn)部分畸變 結(jié)構(gòu)，摻入的稀土離子和堿土金屬離子的相互位置不固定，晶體中稀土 離子具有無序結(jié)構(gòu)，稀土離子的吸收和發(fā)射譜線都比較寬，可提高激光 二極管泵浦的激光效率，有利于寬的波長調(diào)諧和鎖模脈沖激光的輸出。正鈮酸鈣晶體CaNb206屬于正交晶系，空間群為/):，是一種優(yōu)良的激光基質(zhì)晶體。將Y^+摻到CaNb206晶體中，該晶體中Yb^無序結(jié)構(gòu)分 布，有可能是一種有前途的激光晶體，有望實(shí)現(xiàn)飛秒激光輸出。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于公開一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體及其生長方法，以 獲得適用InGaAs激光二極管有效泵浦的輸出飛秒激光的激光晶體。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體，其特點(diǎn)是該摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的 化學(xué)式為YbxCa(1.2x/3)Nb206，其中x的取值范圍是0駕《x《0.2,簡 稱為Yb: CaNb206，該晶體的熔點(diǎn)為1560°C，相變點(diǎn)為925°C，晶體無色。一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的生長方法，包括下列步驟① 原料配方初始原料采用Yb203、 CaCOjnNb205，并按摩爾比;c/2 : 〃-2x/" : 1 進(jìn)行配料，其中x的取值范圍為0.005 0.20;② 選定原料配方的摩爾比后，稱取所有原料Yb203、 CaC03和Nb205， 充分混合均勻后在液壓機(jī)上壓制成塊，然后燒結(jié)成Yb:CaNb206晶體原 料塊，然后裝入坩堝內(nèi)，采用熔體法生長Yb:CaNb206單晶，晶體生長 結(jié)束，晶體提脫后，采用有氧并避開晶體的相變點(diǎn)的降溫退火處理。所述的摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的生長方法為提拉法，其具體歩驟是將晶體原料塊裝入銥金坩堝，將銥坩堝和籽晶裝入提拉單晶爐內(nèi)，所述的籽晶是<001>方向的CaNb206晶棒，裝入單晶爐完后，單晶爐內(nèi)抽真 空至l 10Pa，充入0.01 0.03 MPa中性氣氛或還原性氣氛，在高于熔 點(diǎn)50 80。C時(shí)化料，恒溫1 2小時(shí)，在156(TC時(shí)進(jìn)行晶體生長，晶體 生長速度為1 2mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為5 10rpm (轉(zhuǎn)/每分鐘)，晶 體生長結(jié)束，晶體提脫后，充0.001 0.003 MPa氧氣或空氣，以20 40°C/h 的速率降溫，當(dāng)降溫至950 100(TC時(shí)，通過調(diào)整加熱功率，快速跳過 該晶體的相變點(diǎn)溫度；或者加快降溫速率，以40 6(TC/h的降溫速率來 避開該晶體的相變點(diǎn)溫度925°C,最后取出Yb:CaNb206晶體。將生長的Yb:CaNb206晶體，切割成片，光學(xué)拋光后，在室溫下測 試其光譜性能，采用Jasco V-570 UV/VIS/NIR分光光度計(jì)測試吸收光譜。 采用riax550熒光光譜儀測試紅外發(fā)射光譜，泵浦源采用波長為940nm 的InGaAs激光二極管。其測試結(jié)果如圖1所示，圖1為本發(fā)明方法生 長的Yb:CaNb206晶體的光譜性能，其中900 1000nm波段的強(qiáng)吸收帶 有利于采用InGaAs激光二極管進(jìn)行泵浦。Yb:CaNb206晶體具有大的發(fā) 射和發(fā)射帶寬。本發(fā)明的Yb:CaNb206晶體在975 nm附近的吸收帶寬為 8nm，其發(fā)射帶寬高達(dá)70nm，優(yōu)于Yb:YAG (3 nm， 10 nm)晶體和 磷酸鹽玻璃(62nm)。本發(fā)明的特點(diǎn)是采用提拉法生長出質(zhì)量優(yōu)良的鐿離子摻雜無序結(jié)構(gòu) Yb:CaNb206晶體，可以采用商業(yè)化的InGaAs激光二極管作為十分有效 的泵浦光源，實(shí)現(xiàn)飛秒激光的輸出。


圖1為本發(fā)明Yb:CaNb206晶體的非偏振吸收光譜和發(fā)射光譜具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(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。 實(shí)施例1.本實(shí)施例Yb:CaNb206單晶體的生長方法，包括下列步驟 Yb:CaNb206晶體原料的制備按照0.0025 : 0.997 : 1的摩爾比稱量Yb203、CaC03和Nb205高純原 料，混合均勻后在液壓機(jī)上壓制成塊，然后燒結(jié)成Yb:CaNb206晶體原 料塊；②采用提拉法生長Yb:CaNb206單晶采用提拉法生長Yb:CaNb206單晶體，將晶體原料塊裝入銥金坩堝， 將銥坩堝和籽晶裝入提拉單晶爐內(nèi)，所述的籽晶是<001>方向的(^礎(chǔ)206 晶棒，裝入單晶爐完后，單晶爐內(nèi)抽真空至5Pa，充入0.03MPa中性氣 氛或還原性氣氛，在高于熔點(diǎn)50 80。C (1610°C 1640°C)時(shí)化料，恒 溫1 2小時(shí)，在156(TC時(shí)進(jìn)行晶體生長，晶體生長速度為lmm/h，晶 體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為10rpm，晶體生長結(jié)束，晶體提脫后，充0.003 MPa氧 氣，以20°C/h的速率降溫，當(dāng)降溫至950 1000。C時(shí)，通過調(diào)整加熱功 率，快速跳過相變點(diǎn)溫度；或者加快降溫速率，以4(TC/h的降溫速率來 避開相變點(diǎn)溫度925"C，最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、 不開裂。經(jīng)測試，其光譜性能如圖1所示，結(jié)果表明該晶體在900 1000nm波段具有強(qiáng)吸收帶，有利于采用InGaAs激光二極管進(jìn)行泵浦。 Yb:CaNb206晶體具有大的發(fā)射和發(fā)射帶寬。采用本發(fā)明方法生長出質(zhì)量 優(yōu)良的鐿離子摻雜無序結(jié)構(gòu)Yb:CaNb206晶體，可以采用商業(yè)化的 InGaAs激光二極管作為十分有效的泵浦光源，實(shí)現(xiàn)飛秒激光的輸出。實(shí)施例2.本實(shí)施例和實(shí)施例1的生長方法基本相同，特點(diǎn)是按照0.05 : 0.967 : 1摩爾比稱量Yb203、 CaC03和Nb20s的高純原料，混合均勻后 在液壓機(jī)上壓制成塊，然后燒結(jié)成Yb:CaNb206晶體原料塊；將晶體原料塊放入銥坩堝內(nèi)，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經(jīng)x射線衍射儀精 確定向端面法線方向?yàn)?br> 的CaNb206單晶棒，晶體生長在高純N2氣 氛中進(jìn)行。生長過程中，晶體的生長速度約為1.2mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速 度約為9rpm。最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、不開裂。實(shí)施例3.本實(shí)施例和實(shí)施例1的生長方法基本相同，特點(diǎn)是按照0.1:0.933:1 摩爾比稱量Yb203、 CaC03和Nb20s高純原料，混合均勻后在液壓機(jī)上 壓制成塊，然后燒結(jié)成Yb:CaNb206晶體原料塊；將晶體原料塊放入銥 坩堝內(nèi)，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面 法線方向?yàn)?br> 的CaNb206單晶棒，晶體生長在高純N2氣氛中進(jìn)行。 生長過程中，晶體的生長速度約為1.5mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為8rpm。 最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、不開裂。實(shí)施例4.本實(shí)施例和實(shí)施例1的生長方法基本相同，特點(diǎn)是按照0.15:0.9:1 摩爾比稱量Yb203、 CaC03和Nb20s高純原料，混合均勻后在液壓機(jī)上 壓制成塊，然后燒結(jié)成Yb:CaNb206晶體原料塊；將晶體原料塊放入銥 坩堝內(nèi)，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面 法線方向?yàn)?br> 的CaNb206單晶棒，晶體生長在高純N2氣氛中進(jìn)行。 生長過程中，晶體的生長速度約為1.8mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為 7.5rpm。最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、不開裂。實(shí)施例5.本實(shí)施例和實(shí)施例1的生長方法基本相同，特點(diǎn)是按照0.2:0.867:1 摩爾比稱量Yb203、 CaC03和Nb20s高純原料，混合均勻后在液壓機(jī)上 壓制成塊，然后燒結(jié)成Yb:CaNb206晶體原料塊；將晶體原料塊放入銥坩堝內(nèi)，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經(jīng)x射線衍射儀精確定向端面 法線方向?yàn)?br> 的CaNb206單晶棒，晶體生長在高純N2氣氛中進(jìn)行。 生長過程中，晶體的生長速度約為2mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為6rpm。 最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、不開裂。
權(quán)利要求
1、一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體，其特征在于該摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的化學(xué)式為YbxCa(1-2x/3)Nb2O6，其中x的取值范圍是0.005≤x≤0.2，簡稱為Yb:CaNb2O6，該晶體的熔點(diǎn)為1560℃，相變點(diǎn)為925℃，晶體無色。
2、 權(quán)利要求1所述的摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的生長方法，其特征在 于包括下列步驟① 原料配方初始原料采用Yb203、 CaCOjBNb205,并按摩爾比x/2 : "-2x/3; : 1 進(jìn)行配料，其中x的取值范圍為0.005 0.20;② 選定原料配方的摩爾比后，稱取所有原料Yb203、CaC03和Nb205， 充分混合均勻后在液壓機(jī)上壓制成原料塊，然后裝入坩堝內(nèi)，采用熔體 法生長Yb:CaNb206單晶，晶體生長結(jié)束，晶體提脫后，采用有氧并避 開晶體的相變點(diǎn)的降溫退火處理。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的生長方法，其特征在于所述的熔體法為提拉法，其具體步驟是將原料塊裝入銥金坩堝， 將銥坩堝和籽晶裝入提拉單晶爐內(nèi)，所述的籽晶是O01〉方向的CaNb206 晶棒，裝入單晶爐完后，單晶爐內(nèi)抽真空至1 10Pa，充入0.01 0.03MPa 中性氣氛或還原性氣氛，在高于熔點(diǎn)50 8(TC時(shí)化料，恒溫1 2小時(shí)， 在156(TC時(shí)進(jìn)行晶體生長，晶體生長速度為1 2mm/h，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速 度為5 10rpm，晶體生長結(jié)束，晶體提脫后，充0.001 0.003 MPa氧氣 或空氣，以20 40°C/h的速率降溫，當(dāng)降溫至950 100(TC時(shí)，通過調(diào) 整加熱功率，快速跳過該晶體的相變點(diǎn)溫度；或者加快降溫速率，以40 60°C/h的降溫速率來避開該晶體的相變點(diǎn)溫度925°C，最后取出 Yb:CaNb206晶體。
全文摘要
一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體及其生長方法，該摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的化學(xué)式為Yb_xCa_(1-2x/3)Nb₂O₆，其中x的取值范圍是0.005≤x≤0.2，簡稱為Yb:CaNb₂O₆，該晶體的熔點(diǎn)為1560℃，相變點(diǎn)為925℃，晶體無色。其生長方法為熔體法生長，晶體生長結(jié)束后，采用有氧并避開晶體的相變點(diǎn)的降溫退火處理。采用本發(fā)明方法可生長出質(zhì)量優(yōu)良的鐿離子摻雜無序結(jié)構(gòu)Yb:CaNb₂O₆晶體，可以采用InGaAs激光二極管作為泵浦光源，實(shí)現(xiàn)飛秒激光的輸出。
文檔編號(hào)H01S3/16GK101222114SQ20081003310
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者鋒 吳, 罡 姚, 軍 徐, 徐曉東, 楊新波, 艷 程 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所