專利名稱：自激活激光晶體硼酸鈧鍶釹及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
自激活激光晶體硼酸鈧鍶釹及其制備方法，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方法，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，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種激光晶體，但因各種原因，能真正得到實際應(yīng)用的激光晶體只有十來種。
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來進(jìn)行泵浦的缺點，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，無法投入實際使用。目前，最著名的自激活激光晶體是硼酸釹鋁晶體[NdAl3(BO3)4，NAB]，其激光實驗已獲得成功，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。
目前國內(nèi)外都在積極尋找各種物理、化學(xué)性能和機械性能優(yōu)異，且易于生長出高光學(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。釹離子由于具有較好的光譜性能，廣泛地被用作激活離子；而硼酸鹽由于具有較好的物理化學(xué)和機械性能，也成為激光基質(zhì)材料的熱門之選。

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1060nm波長激光的晶體材料。
依據(jù)本發(fā)明方案研制出的硼酸鈧鍶釹NdSr6Sc(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＝12.306(3)_，c＝9.269(3)_，V＝1215.6(5)_3，Dc＝4.376g/cm3。其中釹離子是作為自激活離子，其熒光壽命(τ)為48μs。實驗結(jié)果表明其可輸出1060 nm波長的激光，可作為激光晶體。
硼酸鈧鍶釹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)和熔鹽法生長NdSr6Sc(BO3)6晶體的較理想的生長條件，并生長出了高質(zhì)量、較大尺寸的NdSr6Sc(BO3)6晶體(見實施例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


提拉法生長硼酸鈧鍶釹自激活激光晶體，其主要生長條件如下生長是在鉑坩鍋中、惰性氣體(如N2、Ar等)氣氛下進(jìn)行，晶體生長的參數(shù)為生長溫度1310℃左右，提升速度為0.5～2.0毫米/小時，晶體轉(zhuǎn)速為5～20轉(zhuǎn)/分鐘。
助熔劑方法生長硼酸鈧鍶釹自激活激光晶體，其主要生長條件如下所用助熔劑為Li6B4O9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。
將生長出的NdSr6Sc(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＝12.306(3)_，c＝9.269(3)_，V＝1215.6(5)_3，密度4.376g/cm3；采用油浸法測得其折射率為1.75。
將生長出的NdSr6Sc(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試，結(jié)果表明NdSr6Sc(BO3)6晶體中，Nd3+的濃度為2.47×1021cm-3，晶體的主吸收峰在808nm，吸收系數(shù)為36.10cm-1，半峰寬(FWHM)18nm，吸收躍遷截面1.46×10-20cm2，在808nm處較大的半峰寬非常適合于采用AsGaAl半導(dǎo)體激光來進(jìn)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1060nm處有最強的熒光發(fā)射峰，其發(fā)射躍遷截面σem為1.46×10-19cm2，半峰寬為27nm，熒光壽命(τ)為48μs，是NAB晶體的三倍，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，NdSr6Sc(BO3)6晶體能得到和NAB晶體類似的較大的激光輸出，由于其生長比NAB容易，能較容易地得到高光學(xué)質(zhì)量的晶體，因而它可望代替NAB晶體，而成為一種新的高轉(zhuǎn)換效率、低成本、高光學(xué)質(zhì)量和有實際應(yīng)用前景及使用價值的自激活激光晶體。
本發(fā)明研制出的NdSr6Sc(BO3)6晶體可用提拉法和熔鹽法非常容易地生長出質(zhì)量優(yōu)良的晶體，生長工藝穩(wěn)定，晶體質(zhì)地堅硬，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，激光輸出波長為1060nm，該晶體可作為一種較好的激光晶體。
具體實施例方式
實施例1提拉法生長NdSr6Sc(BO3)6激光晶體。
將按化學(xué)計量比準(zhǔn)確稱量好的Nd2O3、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，再升溫至1050℃反應(yīng)15小時。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，生長溫度為1310℃、晶體轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/分鐘，拉速為1毫米/小時的情況下，生長出了尺寸為φ28×20mm3的高質(zhì)量的NdSr6Sc(BO3)6晶體。
實施例2以Li6B4O9為助熔劑生長NdSr6Sc(BO3)6激光晶體。
生長原料為NdSr6Sc(BO3)6∶Li6B4O9＝75∶25(重量比)。采用熔鹽頂部籽晶法，在φ60×50mm鉑坩鍋中，生長溫度為958→895℃之間，以2℃/天的降溫速率，15轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，生長出了尺寸為30×28×15mm3的高質(zhì)量的NdSr6Sc(BO3)6晶體。
實施例3以LiBO2-LiF為助熔劑生長NdSr6Sc(BO3)66激光晶體。
生長原料為NdSr6Sc(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，生長溫度為940→875℃之間，以3℃/天的降溫速率，20轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，生長出了尺寸為26×23×16mm3的高質(zhì)量的NdSr6Sc(BO3)6晶體。
權(quán)利要求
1.一種自激活激光晶體硼酸鈧鍶釹，其特征在于該晶體的分子式為NdSr6Sc(BO3)6，屬于三方晶系，空間群為R3，晶胞參數(shù)為a＝12.306(3)_，c＝9.269(3)_，V＝1215.6(5)_3，Dc＝4.376g/cm3，折射率1.75。
2.如權(quán)利要求1所述的硼酸鈧鍶釹激光晶體，其特征在于在該晶體中，作為晶體組成成分的Nd3+離子本身即為激光激活離子。
3.一種權(quán)利要求1的硼酸鈧鍶釹激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用提拉法生長，生長條件為溫度1310℃左右，5-20轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，0.5-2毫米/小時的拉速。
4.一種權(quán)利要求1的硼酸鈧鍶釹激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用熔鹽法生長，所用助熔劑為Li6B4O9，助熔劑濃度控制在15wt.-60wt.％之間，生長溫度在960-895℃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的硼酸鈧鍶釹激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用熔鹽法生長，所用助熔劑為LiBO2-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的硼酸鈧鍶釹激光晶體的用途，其特征在于該晶體用于固體激光器中。
全文摘要
自激活激光晶體硼酸鈧鍶釹及其制備方法，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釹(NdSr
文檔編號C30B29/22GK1510178SQ0215828
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者林州斌, 王國富, 胡祖樹 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所