專(zhuān)利名稱(chēng)：鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光晶體材料的制備方法，尤其是一種鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
鈮酸鋰晶體由于集壓電，鐵電，光電，聲電和二階光學(xué)非線(xiàn)性等性質(zhì)于一身，已經(jīng)被成功運(yùn)用于集成裝置中，比如光調(diào)制器，聲光調(diào)制器等。除此之外，鈮酸鋰晶體還 能被當(dāng)做激光晶體使用，相比于其他激光晶體基質(zhì)，鈮酸鋰有更突出的應(yīng)用前景，比如當(dāng)摻入稀土離子后，結(jié)合激活離子的光放大和基質(zhì)晶體的非線(xiàn)性特性，能夠?qū)崿F(xiàn)晶體的自倍頻激光輸出。所以近10年來(lái)已經(jīng)成為科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。但是，鈮酸鋰晶體本身的光致折射率效應(yīng)往往會(huì)限制其激光放大輸出，難于實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出，幸運(yùn)的是，當(dāng)摻入鎂后，能夠大大提升晶體的光致折射率變化閾值，為自倍頻的激光輸出提供了前提條件。鉺離子由于內(nèi)層4f電子從亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)到基態(tài)能級(jí)的受激躍遷能提供光通訊窗口波長(zhǎng)I. 5微米的光放大，而一直成為人們研究的重點(diǎn)。但是，鉺離子在980nm的吸收卻是很弱，這就大大降低了激光實(shí)驗(yàn)中的泵浦效率，而鐿離子在980nm處有很強(qiáng)的吸收，并且鐿離子的熒光峰與鉺離子的吸收峰有很強(qiáng)的重疊，能量傳遞效率很高，所以選擇鐿離子作為鉺離子的敏化離子，提供泵浦效率是可行的。本發(fā)明提出一種鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體及其制備方法，解決現(xiàn)有鉺摻雜的鈮酸鋰激光晶體在泵浦效率、光致折射率效應(yīng)和熒光壽命不好的問(wèn)題，使其有望成為中紅外波段固體激光器中優(yōu)秀的放大增益介質(zhì)，運(yùn)用于光通訊等領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體及其制備方法，該晶體有望在中紅外波段激光器中應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體，該晶體的分子式為=EraYbbMgeLi
6-2 a-3b-3c-5dNbd03，
中a為Er3+的摻雜濃度，其取值范圍為O. Γ1. 5mol% ；b為Yb3+的摻雜濃度，其取值范圍為O. I 3mol% ；c為Mg2+的摻雜濃度，其取值范圍為O. I 5mol% ;6-2a-3b-3c_5d和d為L(zhǎng)i+和Nb5+ 的摩爾量百分比，滿(mǎn)足 ^-2a-3b-3c-5d)/d=0. 942 O. 960。所述的鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的制備方法，該方法包括下列步驟
①晶體生長(zhǎng)的初始原料為MgO，Yb2O3,Er2O3, Li2CO3和Nb2O5粉末，選定a，b，c的取值，
根據(jù)分子式EraYbbMgcLi 6-2a-3b-3c-5dNbd03 稱(chēng)取原料；
②晶體生長(zhǎng)將所述的原料充分混合均勻，壓制成塊狀，接著進(jìn)行塊料燒結(jié)，先升溫到750度煅燒3飛小時(shí)，接著繼續(xù)升溫到1150度煅燒6 8小時(shí)，然后將燒結(jié)完成的多晶塊料放入提拉爐中進(jìn)行生長(zhǎng)，生長(zhǎng)氣氛為空氣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)摸索，選擇O. 3^0. 8mm/h的提拉速度和12 15r/min的轉(zhuǎn)速；③晶體極化在晶體兩端加上電壓，電流密度為5 7mA/cm2，同時(shí)對(duì)晶體進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到1195 1210度，持續(xù)極化時(shí)間為6 8小時(shí)。所述的晶體生長(zhǎng)方法是提拉法。具體操作為①籽晶選擇，采用籽晶方向?yàn)?br> (001)，尺寸為4*4*30 mm3，籽晶使用前要經(jīng)退火處理，以消除應(yīng)力和減少位錯(cuò)；②下種，待原料融化后，將籽晶慢慢降至熔體表面附件，并保持一段時(shí)間的烘烤后，將籽晶下入熔體內(nèi)，進(jìn)行縮頸，消除籽晶帶來(lái)的缺陷；③放肩，采取手動(dòng)放肩，通過(guò)調(diào)節(jié)歐陸溫控儀，控制晶體放肩，直至所需晶體直徑；④等徑生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中利用上浮稱(chēng)裝置自動(dòng)控制等徑生長(zhǎng)過(guò)程，在該過(guò)程中，隨時(shí)注意循環(huán)冷卻水與儀器變化情況，隨時(shí)記錄；⑤拉脫和退火，等徑生長(zhǎng)結(jié)束后，快速將晶體向上提升，使晶體脫離熔體液面，同時(shí)設(shè)定自動(dòng)降溫程序，進(jìn)行退火以減小和消除晶體的熱應(yīng)力。本發(fā)明中提拉法生長(zhǎng)過(guò)程中必須注意的是籽晶桿旋轉(zhuǎn)速度和提拉速度的選擇。①提拉速度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)摸索，選擇O. 3^0. 8mm/h的提拉速度用于晶體生長(zhǎng)；②選擇速度，在本方法中，選擇12 15r/min的轉(zhuǎn)速。 本發(fā)明中鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的極化方法為將生長(zhǎng)的晶體切去頭尾，磨平，清洗干凈，然后在晶體兩端加上電壓，進(jìn)行極化處理，在晶體兩端加上電壓，電流密度為5 7mA/cm2，同時(shí)對(duì)晶體進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到1195 1200度，持續(xù)極化時(shí)間為6 8小時(shí)。本發(fā)明技術(shù)效果
在國(guó)內(nèi)外首次成功地提拉法生長(zhǎng)出直徑30 mm、長(zhǎng)度45 mm的優(yōu)質(zhì)鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，鐿和鉺之間有很強(qiáng)的能量傳遞效率，效率達(dá)到88%，鐿能夠有效地敏化鉺，從而大大提高泵浦效率，摻入鎂后，晶體的光致折射變化閾值大大提高，同時(shí)，1550nm波段突光發(fā)射大大增強(qiáng),并且突光壽命達(dá)到4. 84ms,與未摻鎂的鐿鉺雙摻銀酸鋰激光晶體相比延長(zhǎng)了 23. 8%，與單摻鉺鈮酸鋰晶體相比延長(zhǎng)了 110%。該晶體有望在I. 5微米輸出的固體激光器中應(yīng)用。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I生長(zhǎng)鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的室溫吸收光譜。圖2是本發(fā)明實(shí)施例I生長(zhǎng)鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的室溫?zé)晒夤庾V。圖3是本發(fā)明實(shí)施例I生長(zhǎng)鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的室溫?zé)晒馑p曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例I =Eracil5Ybaci3Mgatl5Lia 929Nba 967O3 晶體的生長(zhǎng)制備
將高純?cè)?MgO，Yb2O3, Er2O3, Nb2O5 和 Li2CO3 按分子式 Eracil5Ybcici3Mgatl5Lia 929Nba 967O3進(jìn)行配料，將配好的原料均勻混合，壓成塊狀，放入馬弗爐中升溫至750度，保溫3個(gè)小時(shí)，除去二氧化碳?xì)怏w，接著升溫至1150度的溫度下進(jìn)行煅燒6個(gè)小時(shí)形成多晶料，隨后將多晶料裝入提拉爐中的白金坩堝，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)速度為12r/min，等徑生長(zhǎng)提拉速度為O. 6mm/h,降溫速度為15度每小時(shí)，最后將生長(zhǎng)完成的晶體在溫度為1190度，電流密度為5mA/cm2的條件下極化，極化時(shí)間為6個(gè)小時(shí)，完成鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的制備。_7]實(shí)施例 2 Er0.01Yb0.02Mg0.05Li0.936Nb0.97503 晶體的生長(zhǎng)制備
將高純?cè)?MgO，Yb2O3, Er2O3, Nb2O5 和 Li2CO3 按分子式 EracilYbaci2Mgaci5Lia 936Nba 975O3進(jìn)行配料，將配好的原料均勻混合，壓成塊狀，放入馬弗爐中升溫至750度，保溫3個(gè)小時(shí)，除去二氧化碳?xì)怏w，接著升溫至1150度的溫度下進(jìn)行煅燒8個(gè)小時(shí)形成多晶料，隨后將多晶料裝入提拉爐中的白金坩堝，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)速度為lOr/min，等徑生長(zhǎng)提拉速度為O. 5mm/h,降溫速度為12度每小時(shí)，最后將生長(zhǎng)完成的晶體在溫度為1200度，電流密度為6mA/cm2的條件下極化，極化時(shí)間為6個(gè)小時(shí)，完成鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的制備。實(shí)施例3 =Eracici7Ybacil8Mgaci45Lia94tlNba 979O3 晶體的生長(zhǎng)制備
將高純?cè)?MgO, Yb2O3, Er2O3, Nb2O5 和 Li2CO3 按分子式 Er0.007Yb0.018Mg0.045Li0.940Nb0.97903進(jìn)行配料，將配好的原料均勻混合，壓成塊狀，放入馬弗爐中升溫至750度，保溫4個(gè)小時(shí)，除去二氧化碳?xì)怏w，接著升溫至1150度的溫度下進(jìn)行煅燒8個(gè)小時(shí)形成多晶料，隨后將多晶料裝入提拉爐中的白金坩堝，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)速度為9r/min，等徑生長(zhǎng)提拉速度為
O.4mm/h,降溫速度為11度每小時(shí)，最后將生長(zhǎng)完成的晶體在溫度為1210度，電流密度為 6. 5mA/cm2的條件下極化，極化時(shí)間為8個(gè)小時(shí)，完成鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的制備。實(shí)施例4 Er0.001Yb0.005Mg0.05Li0.942Nb0.99003 晶體的生長(zhǎng)制備
將高純?cè)?MgO，Yb2O3, Er2O3, Nb2O5 和 Li2CO3 按分子式 EracicilYbacici5Mgaci5Lia 942Nba 990O3進(jìn)行配料，將配好的原料均勻混合，壓成塊狀，放入馬弗爐中升溫至750度，保溫4個(gè)小時(shí)，除去二氧化碳?xì)怏w，接著升溫至1150度的溫度下進(jìn)行煅燒6個(gè)小時(shí)形成多晶料，隨后將多晶料裝入提拉爐中的白金坩堝，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)速度為9r/min，等徑生長(zhǎng)提拉速度為
O.4mm/h,降溫速度為11度每小時(shí)，最后將生長(zhǎng)完成的晶體在溫度為1200度，電流密度為6. 5mA/cm2的條件下極化，極化時(shí)間為6個(gè)小時(shí)，完成鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的制備。實(shí)施例5 Er0.001Yb0.001Mg0.05Li0.941Nb0.991 03 晶體的生長(zhǎng)制備
將高純?cè)?MgO，Yb2O3, Er2O3, Nb2O5 和 Li2CO3 按分子式 EracicilYbacicilMgaci5Lia941Nba991O3進(jìn)行配料，將配好的原料均勻混合，壓成塊狀，放入馬弗爐中升溫至750度，保溫3個(gè)小時(shí)，除去二氧化碳?xì)怏w，接著升溫至1150度的溫度下進(jìn)行煅燒6個(gè)小時(shí)形成多晶料，隨后將多晶料裝入提拉爐中的白金坩堝，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)速度為9r/min，等徑生長(zhǎng)提拉速度為
O.4mm/h，降溫速度為11度每小時(shí)，最后將生長(zhǎng)完成的晶體在溫度為1210度，電流密度為
6.5mA/cm2的條件下極化，極化時(shí)間為6個(gè)小時(shí)，完成鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的制備。實(shí)施例6 :實(shí)例I生成晶體的光學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。將實(shí)例I生成的晶體加工成10*10*lmm3的尺寸的晶片，并進(jìn)行高精度的光學(xué)級(jí)別拋光。對(duì)樣品進(jìn)行吸收測(cè)試，結(jié)果如圖I所示。在熒光實(shí)驗(yàn)中激發(fā)光源是中心波長(zhǎng)在980nm的激光光源，熒光測(cè)試范圍是1400-1700nm，熒光光譜如圖2所示。最后，測(cè)試其熒光壽命，結(jié)果如圖3所示。通過(guò)理論計(jì)算得出該晶體具有較大的吸收和發(fā)射截面，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)該晶體具有長(zhǎng)的熒光壽命，有望在中紅外波段激光器中應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體，其特征在于該晶體的分子式為EraYbbMgcLi6-2a-3b-3c-5dNbd03,其中 a為 Er3+的摻雜濃度，其取值范圍為 0. I I. 5mol% ；b為Yb3+的摻雜濃度，其取值范圍為0. r3mol% ；c為Mg2+的摻雜濃度，其取值范圍為0.I 5mol% ；6-2a-3b-3c-5d 和 d 為 Li+ 和 Nb5+ 的摩爾量百分比，滿(mǎn)足(6-2a-3b-3c_5d)/d=0. 942 0. 960。
2.權(quán)利要求書(shū)I所述的鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟 ①晶體生長(zhǎng)的初始原料為MgO，Yb203,Er203, Li2C03和Nb205粉末，選定a，b，c的取值，根據(jù)分子式 EraYbbMgcLi6-2a-3b-3c_5dNbd03 稱(chēng)取原料； ②晶體生長(zhǎng)將所述的原料充分混合均勻，壓制成塊狀，接著進(jìn)行塊料燒結(jié)，先升溫到750度煅燒3飛小時(shí)，接著繼續(xù)升溫到1150度煅燒6 8小時(shí)自然降至室溫，然后將燒結(jié)完成的多晶塊料放入提拉爐中進(jìn)行生長(zhǎng)，生長(zhǎng)氣氛為空氣，提拉速度的范圍為0. 3^0. 8mm/h和轉(zhuǎn)速為12 15r/min ； ③晶體極化在晶體兩端加上電壓，電流密度為5 7mA/cm2，同時(shí)對(duì)晶體進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到1195 1210度，持續(xù)極化時(shí)間為6 8小時(shí)。
全文摘要
一種鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體及其制備方法，屬于單晶生長(zhǎng)領(lǐng)域。該激光晶體采用提拉法生長(zhǎng)，在晶體生長(zhǎng)配方中初始原料為MgO，Yb2O3，Er2O3，Li2CO3和Nb2O5粉末，首先進(jìn)行配料，混料和壓料，接著進(jìn)行塊料燒結(jié)，然后放入提拉爐中進(jìn)行生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中遵循化料、下種、引晶、縮頸、放肩、等徑生長(zhǎng)、拉脫和退火步驟。最后對(duì)生長(zhǎng)出來(lái)的晶體進(jìn)行極化處理。本發(fā)明生長(zhǎng)的鎂鐿鉺三摻雜鈮酸鋰激光晶體具有較長(zhǎng)的熒光壽命，較大的吸收和發(fā)射截面。該晶體有望在全固態(tài)中紅外波段激光器中應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01S3/16GK102797038SQ20121028367
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者張沛雄, 杭寅, 張連翰, 戴根發(fā), 何明珠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所