專利名稱：摻鉻硼酸鑭鈧可調(diào)諧激光晶體的制作方法
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，尤其是涉及一種作為可調(diào)諧固態(tài)激光器中的工作物質(zhì)的激光晶體材料。
所謂可調(diào)諧激光是指這樣一種效應(yīng)由激光或泵浦燈激發(fā)摻入固體基質(zhì)中的激活離子，以產(chǎn)生激光輸出，采用棱鏡調(diào)諧法、F-P標(biāo)準(zhǔn)具調(diào)諧法、光柵調(diào)諧法、濾光片調(diào)諧法和分布反饋系統(tǒng)調(diào)諧法等方法可獲得可調(diào)諧的激光輸出。
1963年L.F.Johnson等人采用閃光燈泵浦，在摻Ni2+的MgF2晶體中實現(xiàn)了第一個固態(tài)可調(diào)諧激光運轉(zhuǎn)(L.F.Johnson R.E.Dietz&H.J.Guggenheim，J.Phys.Rev.Lett.，11(1963)318)。隨后出現(xiàn)了很多可調(diào)諧激光晶體，如Ti3+Al2O3、Cr3+Mg2SiO4、Cr3+LiSrAlF6、Cr3+BeAl2O4等，但由于各種原因，許多可調(diào)諧激光晶體只限于作實驗室工具，無法推向工業(yè)應(yīng)用。目前研究最多的、已進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的可調(diào)諧激光晶體是Cr3+BeAl2O4(紫翠寶石)、Ti3+Al2O3(摻鈦藍(lán)寶石)和Cr3+LiCaAlF6、Cr3+LiSrAlF6，但它們也都存在一些難以避免的缺陷，使得它們的應(yīng)用范圍受到限制。
Cr3+BeAl2O4(紫翠寶石)晶體的主要缺點是調(diào)諧范圍在700～800m之間，發(fā)射截面小(6×10-21cm2)，所需的泵浦閾值高，而且還具有高損傷率和高熱透鏡效應(yīng)等缺點，另外由于BeO劇毒，也給生長帶來很大困難。
Ti3+Al2O3(摻鈦藍(lán)寶石)個晶體的主要缺點是該晶體中Ti3+- Ti4+離子對的出現(xiàn)，使得在激光輸出波段，即近紅外波段出現(xiàn)吸收，影響了其激光性能，而且由于其激光上能級壽命短(只有3.2μs)，需用短脈沖激光、Q開關(guān)激光、連續(xù)波激光或產(chǎn)生特別短脈沖的閃光燈泵浦，也進(jìn)一步限制了它的應(yīng)用。
Cr3+LiCaAlF6、Cr3+LiSrAlF6晶體盡管具有調(diào)諧范圍較寬，發(fā)射截面大，所需的泵浦閾值低等諸多優(yōu)點。但也存在著吸收系數(shù)小、LD泵浦的激光效率低等問題。目前國內(nèi)外都在積極尋找調(diào)諧波段更寬、能夠直接使用閃光燈和LD泵浦的可調(diào)諧激光晶體材料。
本發(fā)明的目的就在于研制一種新的可調(diào)諧激光晶體，能夠直接使用閃光燈和LD泵浦的、寬調(diào)諧的可調(diào)諧激光晶體材料。
LaSc3(BO3)4是一種很好的激光晶體基質(zhì)材料，它具有多種不同的相結(jié)構(gòu)，即C2/C空間群(屬高溫相)、R32空間群(屬中溫相)和CC空間群(屬低溫相)結(jié)構(gòu)。具有C2/C結(jié)構(gòu)的LaSc3(BO3)4晶體可以很方便的用提拉法生長，摻釹的具有C2/C結(jié)構(gòu)的Nd3+LaSc3(BO3)4晶體作為LD泵浦的激光晶體材料，其主要輸出波長為1.06μm，已被德國的J-P.Meyn等人報道(J-P.Meyn，T.Jensen，G.Huber，IEEE J.Quantum Electronics，30(1994)913)，獲得了較好的實驗結(jié)果。而摻鉻的Cr3+LaSc3(BO3)4晶體作為可調(diào)諧激光晶體則未有報道。
本發(fā)明的Cr3+LaSc3(BO3)4晶體屬于高溫相，具有C2/C空間群結(jié)構(gòu)。其中鉻離子是作為摻雜離子，取代鈧離子的晶格位置，鉻的摻雜濃度在0.2at％～5at％之間，熒光壽命τ為17～120μs，其熒光壽命是鉻離子濃度的函數(shù)，可根據(jù)不同的需要摻入不同濃度的鉻離子。實驗結(jié)果表明其可調(diào)諧范圍在700～1200nm之間，可作為可調(diào)諧激光晶體。
本發(fā)明的Cr3+LaSc3(BO3)4晶體是采用提拉法生長的，其原料配比按化學(xué)反應(yīng)式的比例進(jìn)行稱樣、混合、壓片，其中Cr2O3則按所需濃度加入。所用的原料純度和廠家分別為Cr2O399.95％ 中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司；La2O399.99％ 中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所；Sc2O399.999％ 中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所；B2O399.999％ 北京化工廠。
晶體生長在銥金坩鍋中進(jìn)行、采用惰性氣體(如N2、Ar等)保護(hù)，生長溫度1600℃左右，提升速度為0.5～2.0mm/h，晶體轉(zhuǎn)速為5～20r/min。
用以上原料和工藝生長出了高質(zhì)量的具有C2/C空間群結(jié)構(gòu)的Cr3+LaSc3(BO3)4晶體。
本發(fā)明的Cr3+LaSc3(BO3)4晶體可用提拉法非常容易地生長出質(zhì)量優(yōu)良的晶體，生長速度快，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，而且其可調(diào)諧范圍寬，激光輸出波長可在700～1200nm之間進(jìn)行調(diào)諧，該晶體可作為一種較好的可調(diào)諧激光晶體。
從Cr3+LaSc3(BO3)4晶體的室溫下的吸收光譜可見在400～530毫微米和580～750毫微米之間有兩個強(qiáng)的吸收譜帶，其峰值分別為480毫微米和680毫微米，兩個吸收帶寬均約為120多毫微米，而且可方便地用閃光燈和LD進(jìn)行泵浦，較寬的吸收峰有利于晶體對泵浦光的吸收，提高了輸出功率。
從Cr3+LaSc3(BO3)4晶體的室溫下的熒光光譜可見在955毫微米有很強(qiáng)的熒光發(fā)射，其峰寬為700～1200毫微米，其半峰寬為195毫微米左右，可在700～1200毫微米之間進(jìn)行調(diào)諧。
從上所述可見，本發(fā)明的摻鉻硼酸鑭鈧可調(diào)諧激光晶體，與目前正在使用的可調(diào)諧激光晶體，如Cr3+BeAl2O4(紫翠寶石)、Ti3+Al2O3(摻鈦藍(lán)寶石)、Cr3+LiCaAlF6、Cr3+LiSrAlF6等晶體相比，具有能夠直接從熔體中用提拉法生長出、生長速度快、晶體質(zhì)量好、原料易得、可調(diào)諧激光波段寬、能夠直接使用閃光燈和LD泵浦等諸多優(yōu)點，因而用該晶體制成的固體激光器有望在許多應(yīng)用方面，如在光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域代替以上晶體。
實施例1提拉法生長具有C2/C空間群結(jié)構(gòu)的高溫相摻雜濃度為0.5at％Cr3+的Cr3+LaSc3(BO3)4晶體在φ60×40mm3的銥金坩鍋中，放入壓好片的220g LaSc3(BO3)4原料，抽真空后，充入N2，采用提拉法，在1600℃，以1.0mm/h的提升速度，10rpm的晶體轉(zhuǎn)速，生長出尺寸為φ18×21mm3具有C2/C相結(jié)構(gòu)的高溫相、高質(zhì)量的淡綠色Cr3+LaSc3(BO3)4晶體。
實施例2提拉法生長具有C2/C空間群結(jié)構(gòu)的高溫相摻雜濃度為5.0at％Cr3+的Cr3+LaSc3(BO3)4晶體在φ60×40mm3的銥金坩鍋中，放入壓好片的200g LaSc3(BO3)4原料，抽真空后，充入Ar，采用提拉法，在1615℃，以1.5mm/h的提升速度，20rpm的晶體轉(zhuǎn)速，生長出尺寸為φ20×25mm3具有C2/C相結(jié)構(gòu)的高溫相、高質(zhì)量的墨綠色Cr3+LaSc3(BO3)4晶體。
權(quán)利要求
1.一種摻鉻硼酸鑭鈧可調(diào)諧激光晶體，其特征在于該晶體的分子式為Cr3+LaSc3(BO3)4，具有C2/C空間群結(jié)構(gòu)，屬于高溫相，其可調(diào)諧范圍在700～1200nm之間。
2.如權(quán)利要求1所述的摻鉻硼酸鑭鈧可調(diào)諧激光晶體，其特征在于鉻離子是作為摻雜離子，取代鈧離子的晶格位置，其摻雜濃度在0.2at％～5at％之間。
3.如權(quán)利要求1所述的摻鉻硼酸鑭鈧可調(diào)諧激光晶體，其特征在于作為摻雜離子的鉻離子其價態(tài)為+3價。
4.如權(quán)利要求1所述的摻鉻硼酸鑭鈧可調(diào)諧激光晶體，其特征在于該晶體使用閃光燈或激光二極管(LD)作為泵浦源。
5.一種權(quán)利要求1的摻鉻硼酸鑭鈧可調(diào)諧激光晶體的制備方法，其特征在于采用提拉法，以La2O3、Sc2O3、B2O3和Cr2O3為原料，按化學(xué)反應(yīng)式的比例稱樣、混合、壓片，其中Cr2O3則按所需濃度加入，在銥金坩鍋中、惰性氣體(如N2、Ar等)氣氛下提拉生長出晶體，晶體生長的參數(shù)為生長溫度1600℃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。
6.一種權(quán)利要求1的摻鉻硼酸鑭鈧可調(diào)諧激光晶體的用途，其特征在于該晶體用于光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域中的固體激光器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧激光晶體摻鉻硼酸鑭鈧晶體及其制備。采用提拉法(Czochralski方法)在1600℃左右生長出摻鉻濃度在0.2at%～5at%之間,具有C
文檔編號C30B29/10GK1422994SQ0114231
公開日2003年6月11日 申請日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月23日
發(fā)明者王國富, 龍西法, 林州斌, 胡祖樹, 何美云 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所