專利名稱：自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇，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)的自倍頻激光晶體材料。
背景技術(shù)：
激光晶體是固體激光器的工作物質(zhì)，它是指以晶體為基質(zhì)，通過分立的發(fā)光中心吸收泵浦光能量并將其轉(zhuǎn)化為激光輸出的發(fā)光材料。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I960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(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(diǎn)，而LD泵浦將是今后激光泵浦源的發(fā)展方向。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，且易于生長出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸并適合于LD泵浦的優(yōu)質(zhì)激光晶體材料。釹離子由于具有較好的光譜性能，廣泛地被用作激活離子，用于產(chǎn)生lOeOnm和900nm左右波長的激光。倍頻是激光技術(shù)中經(jīng)常用到的一種改變激光束輸出波長的方法。自倍頻激光晶體，是利用基質(zhì)晶體的非線性光學(xué)效應(yīng)，將激活離子的受激發(fā)射(基波)轉(zhuǎn)變成二次諧波， 所以它既具有激光晶體的受激發(fā)射功能，又具有非線性光學(xué)晶體的非線性光學(xué)性質(zhì)，從而可以實(shí)現(xiàn)自倍頻、自倍頻、自鎖模等多功能，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。獲得自倍頻激光，是科學(xué)家們長期以來追求的目標(biāo)。BaCaBO3F是一類優(yōu)秀的非線性光學(xué)材料，同時(shí)可摻入激活離子而獲得自倍頻輸出，如摻入離子BaCaBO3F被認(rèn)為是一種潛在的自倍頻激光晶體(參見IEEE J. Quantum Electron. 32 (1996) 741)。迄今為止，以BaCaBO3F為工作物質(zhì)，摻入Nd3+離子，從而獲得基頻和倍頻激光輸出，尚無相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于研制一種新的自倍頻激光晶體材料。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案1. 一種自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇，其特征在于該晶體的分子式為Nd3+ = BaCaBO3F,屬于六方晶系，空間群為，晶胞參數(shù)為 a = 9.0515 A, C = 4.326 3A,廠二 307.0 A3，Dc = 4. 15g/cm3。2.如項(xiàng)1所述的自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇，其特征在于該晶體中Nd3+ 離子作為激光激活離子，摻雜于晶體中，取代晶體中Ca2+離子的晶格位置，其摻雜濃度在 0. 1 15. Oat. %之間。3. 一種項(xiàng)1的自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇的制備方法，其特征在于該晶體采用提拉法生長，以BaCO3, CaCO3, Na2CO3, H3BO3, BaF2和Nd2O3為原料，按化學(xué)反應(yīng)式 BaC03+2CaC03+2H3B03+BaF2 = 2BaCaB03F+3H20+3C02 丨的比例稱樣、混合、壓片、燒結(jié)，而 Nd2O3 則按所需濃度加入，Na2CO3作為電荷補(bǔ)償劑可適量加入；在鉬金坩鍋中，惰性或還原氣氛下，提拉生長出晶體，晶體生長的參數(shù)為生長溫度1096°C左右，提升速度為0. 5 2. 0毫米 /小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速為10 30轉(zhuǎn)/分鐘。4. 一種項(xiàng)1的自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇的用途，其特征在于該晶體用于固體激光器中作為激光工作物質(zhì)，產(chǎn)生1068nm和940nm左右波長的激光輸出；或作為自倍頻激光晶體獲得藍(lán)綠激光輸出。5.如項(xiàng)4所述的自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇的用途，其特征在于用該晶體制成的固體激光器用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域。摻釹氟硼酸鈣鋇，其化學(xué)式為Nd3+ = BaCaBO3F,它是一種能夠直接使用閃光燈和 LD泵浦的，具有較高轉(zhuǎn)換效率，能發(fā)射1068nm和940nm左右基頻激光以及藍(lán)G70nm)綠 (534nm)倍頻激光的晶體材料。Nd3+ = BaCaBO3F晶體屬于六方晶系，具有空間群結(jié)構(gòu)。其中釹離子是作為摻雜離子，取代鈣離子的晶格位置，釹的摻雜濃度在0. 1 Ifet. %之間，鈉離子作為補(bǔ)償電荷可適量加入。熒光壽命(τ )為20 100 μ s，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lOeOnm和940nm左右波長激光以及相應(yīng)的倍頻激光，可作為自倍頻激光晶體。Nd3+ = BaCaBO3F晶體是一種同成分熔化的化合物，可采用提拉法生長，按化學(xué)反應(yīng)式BaC03+2CaC03+2H3B03+BaF2 = 2BaCaB03F+3H20+3C02 丨的比例進(jìn)行稱樣、混合、壓片、燒結(jié)，而Nd2O3、Na2CO3則按所需濃度加入。其主要生長條件如下生長是在鉬金坩鍋中，惰性或還原氣氛(如氮?dú)獾?下進(jìn)行，晶體生長的參數(shù)為生長溫度為1096°C左右，提升速度為0. 5 2. 0毫米/小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速10 30轉(zhuǎn)/分鐘，生長出了高質(zhì)量的Nd3+ = BaCaBO3F晶體。將生長出的Nd3+ = BaCaBO3F晶體，在粉末衍射儀上進(jìn)行了衍射數(shù)據(jù)的收集，結(jié)構(gòu)分析表明，其屬于六方晶系，空間群為，晶胞參數(shù)為 a = 9.0515A，c = 4.3263A, V= 307.0A3，Dc = 4. 15g/cm3。將生長出的Nd3+ = BaCaBO3F晶體定向后，進(jìn)行偏振吸收光譜、偏振熒光光譜及熒光壽命等的分析測試，結(jié)果表明摻1. Iat. % Nd3+離子的Nd3+ = BaCaBO3F晶體的主吸收峰在813nm，半峰寬(FWHM)分別為9. Onm(Ji偏振)和2. 9nm(o偏振)，吸收截面為 2. 03 X IO-20Cm2 (π偏振)和11. 94Χ 10_2°Cm2 ( ο偏振)，其在主吸收峰處具有合適的半峰寬， 適合于采用AWaAs半導(dǎo)體激光來泵浦，有利于激光晶體對泵浦光的吸收，提高泵浦效率。 該晶體在850nm-1400nm波段有三個(gè)強(qiáng)的發(fā)射帶，在1060nm處發(fā)射峰的半峰寬為6. 3ηπι(π 偏振)和5. 9nm(o偏振)，發(fā)射躍遷截面7. 22 X l(T2°cm2 ( π偏振)和15. 21 X l(T2°cm2 ( σ 偏振)，在943nm處發(fā)射躍遷截面0. 91 X 10_20cm2 ( π偏振)和1. 79Χ 10_20cm2 ( σ偏振)， 熒光壽命為57. 7 μ S。該晶體吸收截面和發(fā)射躍遷截面較大，因此，Nd3+IBaCaBO3F晶體能容易得到較大功率的基頻激光輸出。同時(shí)該晶體具有合適的雙折射率和倍頻系數(shù)，因而 Nd3+ = BaCaBO3F晶體是一種高轉(zhuǎn)換效率、低成本、高光學(xué)質(zhì)量和有實(shí)際應(yīng)用前景及使用價(jià)值的自倍頻激光晶體，該晶體制成的固體激光器可用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域中。 Nd3+ = BaCaBO3F晶體可用提拉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，具有良好的導(dǎo)熱性能、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， 基頻激光輸出波長為1068nm和940nm左右，通過自倍頻可獲得534nm、470nm藍(lán)綠激光。該晶體可作為一種較好的自倍頻激光晶體。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 提拉法生長摻雜濃度為2. Oat. % Nd3+的Nd3+:BaCaBO3F激光晶體。Nd3+IBaCaBO3F原料可由固相燒結(jié)分兩步合成，第一步合成BaQi2(BO3)2，第二步 BaCa2(BO3)2與BaF2反應(yīng)獲得所需產(chǎn)物。反應(yīng)方程式如下BaC03+2 (1 _2x) CaC03+xNa2C03+xNd203+2H3B03= BaCa2 (1_2x) Na2xNd2x (BO3) 2+3H20+3 (1 -χ) CO2 個(gè)BaCa2 (1_2x) Na2xNd2x (BO3) 2+BaF2 = 2BaCai_2xNaxNdxB03F依據(jù)上述方程式，按配比準(zhǔn)確稱量BaCO3, CaCO3, Na2CO3, H3BO3, BaF2和Nd2O3,混合研磨均勻，壓片后，放入Φ80 X 80mm2的剛玉坩鍋中，在馬弗爐中于650°C固相反應(yīng)M小時(shí)； 取出后，重新研磨壓片再升溫至850°C反應(yīng)M小時(shí)。將合成好的以上樣品放入Φ50Χ40πιπι2的鉬金坩鍋中，采用提拉法，在氮?dú)鈿夥罩?，生長溫度為1096°C，晶體轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/分鐘，拉速為1毫米/小時(shí)的情況下，生長出了尺寸為厘米級的高質(zhì)量的Nd3+ = BaCaBO3F晶體。經(jīng)ICP測試表明晶體中Nd3+離子含量為 1. Iat. %。
權(quán)利要求
1.一種自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇，其特征在于該晶體的分子式為Nd3+ = BaCaBO3F,屬于六方晶系，空間群為，晶胞參數(shù)為 a = 9.0515 A, C = 4.326 3入，V= 307.0 A3, Dc = 4. 15g/cm3。
2.如權(quán)利要求1所述的自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇，其特征在于該晶體中Nd3+ 離子作為激光激活離子，摻雜于晶體中，取代晶體中Ca2+離子的晶格位置，其摻雜濃度在 0. 1 15. Oat. %之間。
3.—種權(quán)利要求1的自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇的制備方法，其特征在于該晶體采用提拉法生長，以BaCO3, CaCO3, Na2C03, H3BO3, BaF2和Nd2O3為原料，按化學(xué)反應(yīng)式 BaC03+2CaC03+2H3B03+BaF2 = 2BaCaB03F+3H20+3C02 丨的比例稱樣、混合、壓片、燒結(jié)，而 Nd2O3 則按所需濃度加入，Na2CO3作為電荷補(bǔ)償劑可適量加入；在鉬金坩鍋中，惰性或還原氣氛下，提拉生長出晶體，晶體生長的參數(shù)為生長溫度1096°C左右，提升速度為0. 5 2. 0毫米 /小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速為10 30轉(zhuǎn)/分鐘。
4.一種權(quán)利要求1的自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇的用途，其特征在于該晶體用于固體激光器中作為激光工作物質(zhì)，產(chǎn)生1068nm和940nm左右波長的激光輸出，或作為自倍頻激光晶體可獲得藍(lán)綠激光輸出。
5.如權(quán)利要求4所述的自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇的用途，其特征在于用該晶體制成的固體激光器用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及人工晶體領(lǐng)域，特別是涉及一種自倍頻激光晶體摻釹氟硼酸鈣鋇。本發(fā)明采用提拉法(Czochralski方法)，在1096℃左右，以10～30轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速，0.5～2.0毫米/小時(shí)的拉速，可生長出高質(zhì)量、較大尺寸的Nd3+:BaCaBO3F晶體。該晶體是一種新型的激光晶體，可產(chǎn)生1068nm和940nm左右波長的激光輸出。同時(shí)，由于該晶體具有非線性光學(xué)效應(yīng)，也可通過自倍頻獲得534nm綠光以及470nm藍(lán)光輸出。用該晶體制成的固體激光器可用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域中。
文檔編號C30B29/22GK102465340SQ201010539569
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者周薇薇, 趙旺 申請人:淮南師范學(xué)院