專利名稱：摻釹硼酸釔鍶激光晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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(zhǎng)領(lǐng)域，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(jí)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，但是由于增益的限制、晶體生長(zhǎng)困難、難于摻入激活離子、差的光譜性能、或差的熱和機(jī)械性能等原因，大多數(shù)的激光晶體材料都不能真正投入實(shí)際應(yīng)用中。能真正得到實(shí)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(zhǎng)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，不適宜用LD來進(jìn)行泵浦的缺點(diǎn)，而LD泵浦將是今后激光泵浦源的發(fā)展方向。
目前國內(nèi)外都在積極尋找各種物理、化學(xué)性能和機(jī)械性能優(yōu)異，且易于生長(zhǎng)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。硼酸鹽類晶體具有較好的物理化學(xué)和機(jī)械性能，并容易生長(zhǎng)出高質(zhì)量的單晶，成為激光基質(zhì)材料的熱門之選。如YCOB、GdCOB、YAB等晶體，Sr3Y2(BO3)3化合物是雙硼酸鹽M3Ln(BO3)3(M＝Ca，Sr，Ba以及Ln＝La-Lu，Y)系列化合物的一種，最初由固相合成法而得到粉末。
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)換效率的激光晶體材料。
Nd3+:Sr3Y(BO3)3晶體屬于三方晶系，具有R3空間群結(jié)構(gòu)。其中釹離子是作為摻雜離子，取代釔離子的晶格位置，釹的摻雜濃度在0.05at％～10at％之間，摻雜濃度為3at％時(shí)，熒光壽命(τ)為73μs，其熒光壽命是釹離子濃度的函數(shù)，可根據(jù)不同的需要摻入不同濃度的釹離子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可輸出1061nm波長(zhǎng)的激光，可作為激光工作物質(zhì)。
摻釹硼酸釔鍶是一種同成分的化合物，可采用提拉法(Czochralski方法)生長(zhǎng)出大的單晶。
具體的化學(xué)反應(yīng)如下
所用的原料純度及廠家如下
主要生長(zhǎng)條件如下生長(zhǎng)是在銥坩鍋中、惰性氣體(如N2、Ar等)氣氛下進(jìn)行，晶體生長(zhǎng)的工藝參數(shù)為生長(zhǎng)溫度約1220℃左右，晶體轉(zhuǎn)速為10-15轉(zhuǎn)/分鐘，提拉速度為1.0-1.5毫米/小時(shí)。典型的生長(zhǎng)過程見實(shí)施例。
將生長(zhǎng)出的Nd3+:Sr3Y(BO3)3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＝12.48，c＝9.27，V＝11253，Z＝6，密度4.2g/cm3；采用油浸法測(cè)得其折射率為1.72。
將生長(zhǎng)出的Nd3+:Sr3Y(BO3)3晶體，進(jìn)行吸收光譜、熒光光譜及熒光壽命等的分析測(cè)試，結(jié)果表明摻Nd濃度在3at％時(shí)，Nd3+:Sr3Y(BO3)3晶體的主吸收峰在807nm，其半峰寬為18nm，吸收躍遷截面為2.17×10-20cm2，在807nm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(duì)泵浦光的吸收，提高泵浦效率。其在1061nm處的發(fā)射躍遷截面σem為1.88×10-19cm2，半峰寬(FWHM)為20nm，熒光壽命為73μs。
本發(fā)明的Nd3+:Sr3Y(BO3)3晶體可用提拉法生長(zhǎng)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的晶體，晶體具有優(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(zhǎng)為1061nm，該晶體可作為一種較好的激光晶體。
具體實(shí)施例方式
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方案如下用提拉法(Czochralski方法)生長(zhǎng)摻雜濃度為3.0at.％Nd3+的Sr3Y(BO3)3激光晶體。
將按化學(xué)計(jì)量準(zhǔn)確稱量好的Y2O3、Nd2O3、Sr3CO3、H3BO3混合，研磨均勻，壓片后，在馬弗爐中在900℃條件下固相合成24小時(shí)，再升溫至1000℃固相合成24小時(shí)，將固相合成好的樣品裝入Φ70×50mm3的銥金坩堝并置于提拉爐中，采用提拉法，在N2氣氛中，生長(zhǎng)溫度為1220℃左右，晶體轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/分鐘，提拉速度為1.0毫米/小時(shí)的條件下，生長(zhǎng)出了尺寸為Φ25×35mm3的高質(zhì)量的Nd3+:Sr3Y(BO3)3晶體。經(jīng)電子探針測(cè)出晶體中Nd離子濃度為1.24×1020cm-3。
權(quán)利要求
1.一種摻釹硼酸釔鍶激光晶體，其特征在于該晶體的分子式為Nd3+:Sr3Y(BO3)3，屬于三方晶系，空間群為R3，晶胞參數(shù)為a＝12.48，c＝9.27，V＝11253，Z＝6，密度4.2g/cm3，折射率1.72。
2.如權(quán)利要求1所述的激光晶體，其特征在于Nd3+離子作為摻雜離子，取代晶體中釔離子的格位，其摻雜濃度范圍為0.05at-10at％。
3.一種權(quán)利要求1的激光晶體的制備方法，其特征在于該晶體采用提拉法(Czochralski方法)生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)溫度在1220℃左右，晶體轉(zhuǎn)速為10-15轉(zhuǎn)/分鐘，提拉速度為1.0-1.5毫米/小時(shí)。
4.一種權(quán)利要求1的激光晶體的用途，其特征在于用該晶體制造緊湊的全固態(tài)激光器，用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域中。
5.如權(quán)利要求4所述的激光晶體的用途，其特征在于用該晶體制造的固體激光器，使用閃光燈或激光二極管(LD)作為泵浦源，激發(fā)產(chǎn)生1061nm波長(zhǎng)的激光輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及人工晶體領(lǐng)域，特別是涉及一種激光晶體摻釹硼酸釔鍶(Nd
文檔編號(hào)C30B15/00GK1566414SQ0314568
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月10日
發(fā)明者王國富, 潘建國, 林州斌, 胡祖樹, 張莉珍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所