專利名稱：鈥鐠共摻氟化镥鋰中紅外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，尤其是一種欽鐠共摻氟化镥鋰中紅外激光晶體及其制備方法，該晶體可以實(shí)現(xiàn)2.8-3.0微米的調(diào)諧激光輸出，在醫(yī)療、科研及軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
2.8-3.0微米波段激光在生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而且是可以通過非線性途徑獲得更長波長激光的理想泵源。目前在2.8-3.0微米波段研究比較集中的是利用摻Er3+的激光晶體如YAG、Gd3Ga5O12和LiYF4等，而且2.94微米摻Er3+的YAG晶體已經(jīng)獲得產(chǎn)業(yè)化。然而，摻Er3+的激光材料，一般在特定的基質(zhì)中只能獲得固定波長的激光，而且需Er3+離子的高濃度摻雜。相比之下，摻Ho3+的激光晶體在2.8-3.0微米范圍內(nèi)的熒光為寬帶譜，而且隨著泵浦源問題逐步得到解決，Ho3+的2.8-3.0微米的連續(xù)激光輸出正成為研究熱點(diǎn)。Ho3+不存在與Er3+類似的激光下能級(jí)上轉(zhuǎn)換的能量傳遞機(jī)制，因?yàn)椴荒芡ㄟ^高濃度摻雜實(shí)現(xiàn)2.8-3.0微米的激光輸出，但是，可以摻入少量的退敏化離子(Pr3+)大大降低激光下能級(jí)5I7的熒光壽命，從而為2.8-3.0微米連續(xù)激光輸出提供了一條有效可行的途徑。Ho3+離子在2.8-3.0微米激光的產(chǎn)生需要較長的激光上能級(jí)壽命，這就要求激光介質(zhì)擁有較低的聲子能量，氟化物材料恰能滿足這一要求。氟化物基質(zhì)材料從深紫外到紅外很寬的范圍都具有很高的透過率；其低的折射率降低了其在激光泵浦時(shí)產(chǎn)生的非線性效應(yīng)；低的聲子能量降低了相鄰能級(jí)間的非輻射躍遷的幾率，而具有長的熒光壽命，從而有利于儲(chǔ)能。其中最好的例子就是CaF2和LiYF4氟化物晶體，與LiYF4同屬四方晶系結(jié)構(gòu)的LiLuF4晶體近來備受關(guān)注，LiLuF4晶體具有更低的聲子能量(440CHT1)，因此研究Ho，Pr = LiLuF4激光晶體對(duì)發(fā)展2.8-3.0微米的調(diào)諧激光輸出具有重要意義。目前，國內(nèi)外未見有Ho，PriLiLuF4晶體作為中紅外激光晶`體的報(bào)道
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明的目的在于提供一種欽鐠共摻氟化镥鋰中紅外激光晶體及其制備方法，該激光晶體能夠?qū)崿F(xiàn)2.8 3.0微米波段激光輸出。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:一種欽鐠共摻氟化镥鋰中紅外激光晶體，其特點(diǎn)在于:該晶體的化學(xué)式為HoxPry:LiLu(1_x_y)F4,其中x = 0.1 5mol.% ,為Ho離子占基質(zhì)中Lu離子的摩爾百分?jǐn)?shù)，y=0.1 2mol.%，為Pr離子占基質(zhì)中Lu離子的摩爾百分?jǐn)?shù)，Pr3+作為退激活離子。所述的欽鐠共摻氟化镥鋰中紅外激光晶體的制備方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟:①選用純度大于99.999%的原料LiF、LuF3、PrF3和HoF3，選定x，y值，根據(jù)分子式HoxPry:LiLu(1_x_y)F4稱量各原料，將原料充分混合；
②將充分混合均勻的原料直接放入坩堝內(nèi)，將坩堝置于下降爐中，采用a向的LiLuF4晶體作為籽晶，生長氣氛為CF4氣體，所述的坩堝在溫度為900 960°C的高溫區(qū)熔料4 8小時(shí)，然后坩堝以0.5 1.2mm/h速率下降，此時(shí)晶體固液界面處±0.5cm范圍內(nèi)的溫度梯度為25 40°C /cm ；③生長結(jié)束后，以20 40°C /h速率冷卻至室溫，取出晶體。本發(fā)明技術(shù)效果:本發(fā)明的欽鐠共摻氟化镥鋰中紅外激光晶體中Pr3+離子的摻入使得Ho3+的5I7能級(jí)壽命大大降低，同時(shí)Ho3+的5I6能級(jí)壽命沒有明顯的變化，有利于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，同時(shí)2.8-3.0微米有較強(qiáng)的熒光輸出，有望用于實(shí)現(xiàn)2.8-3.0微米波段的激光輸出。本發(fā)明制備的欽鐠共摻氟化镥鋰中紅外激光晶體，可以切割加工出一定尺寸、優(yōu)質(zhì)的欽鐠共摻雜氟化镥鋰激光晶體晶片和激光棒，用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)明在國際上首次成功生長出欽鐠共摻氟化镥鋰中紅外激光晶體，首次研究其2.8-3.0微米波段的光學(xué)性質(zhì)，能夠作為中紅外激光晶體，有望實(shí)現(xiàn)2.8-3.0微米的中紅外激光輸出。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例2生長晶體的室溫吸收光譜圖2是本發(fā)明實(shí)施例2生長晶體的室溫?zé)晒夤庾V圖3是本發(fā)明實(shí)施例2生長晶體離子退失活機(jī)理示意4為激光實(shí)驗(yàn)裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1 =LiHo0.01Pr0.001Lu0.989F4 晶體的生長制備將HoF3、PrF3、LiF和LuF3按上述配料方程式中的摩爾比混合后在經(jīng)220°C 6小時(shí)脫水烘干，混合均勻，放入尺寸為930x150尖底鉬金坩堝中，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為900°c的高溫區(qū)熔料8小時(shí)，然后坩堝以0.8mm/h速率下降，此時(shí)晶體固液界面處±0.5cm范圍內(nèi)的溫度梯度為24°C /cm，生長結(jié)束后以30°C /
h速率冷卻至室溫。實(shí)施例2 =LiHoaci2Pratltl6Lua 974F4 晶體的生長制備將HoF3、PrF3、LiF和LuF3按上述配料方程式中的摩爾比混合后在經(jīng)250°C 8小時(shí)脫水烘干，放入尺寸為(p30x 150尖底鉬金坩堝中，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為930°C的高溫區(qū)熔料8小時(shí)，然后坩堝以0.8mm/h速率下降，此時(shí)晶體固液界面處±0.5cm范圍內(nèi)的溫度梯度為25°C /cm，生長結(jié)束后以30°C /h速率冷卻至室溫。晶體取出后沿a向加工成8X8X Imm3的樣品進(jìn)行光譜測試，吸收光譜如圖2所示，熒光光譜如圖3所示。實(shí)施例3 =LiHo0.03Pr0.01Lu0.96F4晶體的生長制備將HoF3、PrF3、LiF和LuF3按上述配料方程式中的摩爾比混合后在經(jīng)280°C 8小時(shí)脫水烘干，放入尺寸為φ30χ180尖底鉬金坩堝中，放入純的LiLuF4晶體作為籽晶，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為960°C的高溫區(qū)熔料6小時(shí)，然后坩堝以lmm/h速率下降，此時(shí)晶體固液界面處±0.5cm范圍內(nèi)的溫度梯度為28°C /cm,生長結(jié)束后以25°C /h速率冷卻至室溫。對(duì)已經(jīng)生長成功的晶體進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)測試，吸收光譜如圖1所示，熒光光譜如圖2所示，離子退失活機(jī)理如圖3所示。實(shí)施例4 =LiHo0.05Pr0.02Lu0.93F4晶體的生長制備將HoF3、PrF3、LiF和LuF3按上述配料方程式中的摩爾比混合后在經(jīng)300°C 8小時(shí)
脫水烘干，放入尺寸為φ30χ180尖底鉬金坩堝中，放入純的LiLuF4晶體作為籽晶，將坩堝
密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為960°C的高溫區(qū)熔料8小時(shí)，然后坩堝以0.8mm/h速率下降，此時(shí)晶體固液界面處±0.5cm范圍內(nèi)的溫度梯度為25°C /cm,生長結(jié)束后以25 °C /h速率冷卻至室溫。實(shí)施例5 =LiHoatl2Pratl2Lua96F4晶體的生長制備將HoF3、PrF3、LiF和LuF3按上述配料方程式中的摩爾比混合后在經(jīng)270°C 8小時(shí)脫水烘干，放入尺寸為φ30χ180尖底鉬金坩堝中，放入純的LiLuF4晶體作為籽晶，將坩堝密封。將所述的坩堝置于將所述的坩堝置于下降爐中溫度為950°C的高溫區(qū)熔料8小時(shí)，然后坩堝以1.2mm/h速率下降，此時(shí)晶體固液界面處±0.5cm范圍內(nèi)的溫度梯度為25°C /cm,生長結(jié)束后以30°C /h速率冷卻至室溫。實(shí)施例6:欽鐠共摻雜氟化镥鋰激光晶體的激光實(shí)驗(yàn)利用上述實(shí)施例制 備的晶體加工鍵合出尺寸為5mmX 15mmX 1.5mm的優(yōu)質(zhì)欽鐠共摻雜氟化镥鋰激光晶體棒子，采用LD作為泵浦源，進(jìn)行激光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。圖中I為LD泵浦光源；2是對(duì)波長為2.8-3.0微米波段中某個(gè)特定波長全反射的介質(zhì)鏡；3是對(duì)波長為2.8-3.0微米波段中某個(gè)特定波長部分透射的介質(zhì)鏡；4是棒狀欽鐠共摻雜氟化镥鋰激光。
權(quán)利要求
1.一種欽鐠共摻氟化镥鋰激光晶體，其特征在于:該晶體的化學(xué)式為HoxPry = LiLuU F4,其中x = 0.1 5mol.% ,為Ho離子占基質(zhì)中Lu離子的摩爾百分?jǐn)?shù)，y=0.1 2mol.%，為Pr離子占基質(zhì)中Lu離子的摩爾百分?jǐn)?shù)，Pr3+作為退激活離子。
2.權(quán)利要求1所述的欽鐠共摻氟化镥鋰中紅外激光晶體的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟: ①選用純度大于99.999%的原料LiF、LuF3> PrF3和HoF3,選定x，y值，根據(jù)分子式HoxPry: LiLu (^) F4稱量各原料，將原料充分混合； ②將充分混合均勻的原料直接放入坩堝內(nèi)，將坩堝置于下降爐中，采用a向的LiLuF4晶體作為籽晶，生長氣氛為CF4氣體，所述的坩堝在溫度為900 960°C的高溫區(qū)熔料4 8小時(shí)，然后坩堝以0.5 1.2mm/h速率下降，此時(shí)晶體固液界面處±0.5cm范圍內(nèi)的溫度梯度為25 40°C /cm ； ③生長結(jié)束后，以20 40°C/h速 率冷卻至室溫，取出晶體。
全文摘要
一種鈥鐠共摻雜氟化镥鋰新型中紅外激光晶體，涉及激光晶體材料領(lǐng)域。本發(fā)明利用提拉法生長出鈥鐠共摻雜氟化镥鋰激光晶體，采用氟化镥鋰作為基質(zhì)材料，鈥離子作為激活離子，鐠離子作為退激活離子(deactivator ions)。本發(fā)明生長的鈥鐠共摻雜氟化镥鋰晶體中，鐠離子的摻入使得鈥離子的5I7能級(jí)壽命大大降低，同時(shí)鈥離子的5I6能級(jí)壽命沒有明顯的變化，有利于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光輸出，降低激光閾值和提高激光效率。該晶體可以用于2.8-3.0微米的調(diào)諧激光輸出，在醫(yī)療、科研及軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C30B29/12GK103194796SQ20131009518
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者杭寅, 張沛雄, 張連翰, 趙呈春, 陳光珠, 何明珠, 王軍, 寧凱杰, 陳喆, 王向永 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所