專利名稱:鏑激活的新型中紅外激光晶體材料的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及激光晶體材料領域,特別涉及一類中紅外激光晶體KPb2Cl5:Dy3+和KPb2Cl5:Dy3+:Yb3+。
背景技術:
中紅外激光可以通過幾種方法運作,其中通過稀土或過渡族離子激活的激光晶體直接產生中紅外輻射是一種最簡便有效的方法,是目前研究的熱點。
激光晶體直接產生高效中紅外激光輸出的主要問題是由于中紅外激光頻率很低,與許多著名激光晶體的晶格振動頻率即聲子振動頻率相當,這樣導致了快速無輻射弛豫與激光發(fā)射的強烈競爭,因此,導致了激光的高被動損耗。為了克服這個問題,必須選擇具有低聲子振動頻率的材料,而在激光的運轉過程中需要采用低溫的條件。
要直接產生中紅外激光,不僅要求激光基質的聲子能量要小于500cm-1,聲子能量越小,則無輻射弛豫幾率也越小。同時,激光基質的光譜在3.0μm~5.0μm要高透,并且要具有高的抗光損傷閾值和良好的物化性能,而激光晶體則要有大的發(fā)射截面(σem>10-21~10-20cm2)。
一般基質材料的最大聲子振動頻率的大小次序如下氧化物>氟化物>硫化物(包括II-VI族半導體主體晶體材料如ZnSe,ZnS,ZnTe)>氯化物。在氧化物中,硼酸鹽>磷酸鹽>硅酸鹽>氟磷酸鹽(酯)>釩酸鹽(或酯)>鍺酸鹽>鋁酸鹽>亞碲酸鹽>五倍子酸鹽,沒食子酸鹽。對于3.0μm~4.0μm的激光,還可以選擇氧化物晶體作為基質材料,而對于>4.0μm的激光,氧化物晶體則不能作為基質材料,只有選擇鹵化物和硫化物作為基質材料。
目前,在國際上,中紅外激光晶體是科學界的研究熱點,俄美和歐洲已經(jīng)走在前面,而國內才剛起步。稀土或過渡族離子激活的的激光晶體是可以產生3.0μm~5.0μm中紅外激光的,Tb3+、Dy3+、Er3+、Ho3+、Cr2+、Co2+等便是有效的激活離子。近幾年來,俄羅斯激光晶體專家Kaminskii等研究了BaYb2F8:Pr3+、YLF:Ho3+、YLF:Dy3+、BaF2:LaF3:Nd3+激光晶體,實現(xiàn)了3.5μm~5.15μm的μJ量級激光輸出,Ganem和Bowman等研究了PrCl3晶體,在5.242μm和7μm處產生了mJ量級的激光輸出,而Nostand,M.C.研究了CaGa2S4:Dy3+晶體,在4.38μm獲得了激光輸出,Bowman等研究了KPb2Cl5:Dy3+激光晶體,在4.6μm處獲得了激光輸出。我國華北光電技術研究所報道了Cr,Yb,Ho:YAGG晶體在2.84μm~3.05μm之間實現(xiàn)了連續(xù)可調諧的激光輸出。法國科學家R.Moncorge等研究了摻雜Yb:Dy和Tm:Dy的LiYF4和KY3F10晶體,獲得了Dy3+離子2.8~3.08μm的寬帶熒光發(fā)射峰,證明了它們作為3.0μm激光晶體的潛在可能性。
KPb2Cl5屬于單斜晶系,空間群為P21/c,晶胞參數(shù)為Z=4,a=8.854,b=7.927,c=12.485,β=90.05,V=876.3。它的透過波段為0.3~16μm,最大聲子能量為203cm-1,不潮解,是一種良好的中紅外激光基質材料。而Dy3+離子能級豐富,采用1.34μm光源激發(fā),可產生3.0~5.0μm的熒光,而Yb3+離子可以敏化Dy3+,如果采用Yb3+離子敏化,則可采用GaAlAs半導體作為激發(fā)源。因此,KPb2Cl5:Dy3+和KPb2Cl5:Dy3+:Yb3+有望成為一類良好的中紅外激光晶體材料。目前,國外已經(jīng)生長出Er3+:KPb2Cl5激光晶體,實現(xiàn)了mJ量級的激光輸出,而其它激活離子摻雜的KPb2Cl5激光晶體并未見報道有中紅外激光輸出,國內相關的研究完全處于空白狀態(tài)。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于公開一類能夠實現(xiàn)3.0μm~5.0μm波段中紅外激光輸出的中紅外激光晶體材料。
本發(fā)明制備的KPb2Cl5:Dy3+激光晶體,采用KPb2Cl5作為激光基質材料,Dy3+作為激活離子。
本發(fā)明制備的KPb2Cl5:Dy3+:Yb3+激光晶體,采用KPb2Cl5作為激光基質材料,Dy3+作為激活離子,Yb3+作為敏化離子。
采用KCl和PbCl2作為原料,在高純氬氣氣氛中加熱,然后降溫,存放好備用。然后通過液相反應獲得稀土鹵化物ReCl3(Re=Dy,Yb)。
把原料封裝于真空石英管中,采用改良的Bridgman法生長。把封好的石英管放在上溫區(qū),底端恰好位于上溫區(qū)的最低點,熱平衡之后,通過機械裝置控制石英管下降,晶體生長結束后,緩慢退火至室溫,取出晶體。
切割加工出一定尺寸、優(yōu)質的KPb2Cl5:Dy3+或KPb2Cl5:Dy3+:yb3+激光器件,置于激光諧振腔系統(tǒng),采用合適泵浦源泵浦,實現(xiàn)3.0μm~5.0μm波段中紅外激光可調諧輸出。
3.0μm-5.0μm中紅外激光,可以應用于大氣遙感、地球資源探測、環(huán)境保護、污染控制等,此外,在同位素分離、醫(yī)療、生物醫(yī)藥等領域也有廣泛的應用,尤其是在軍事制導、目標探測、遠距離探測化學物質和反導對抗上的應用,在反化學戰(zhàn)和環(huán)境保護中起到關鍵性的作用,成為決定戰(zhàn)爭勝負的關鍵技術。
附圖為KPb2Cl5:Dy3+晶體的中紅外激光實驗示意圖。
具體實施例方式實施例一KPb2Cl5:Dy3+晶體的生長制備先對原料KCl和PbCl2進行處理分別將適量分析純的KCl和PbCl2原料放入自制的燒結爐中,通入高純氬氣使之緩緩流過,加熱到300℃,然后將溫度降下來,原料存放好備用。然后通過液相反應獲得稀土鹵化物具體方法是將一定量的Dy2O3溶解在鹽酸里,然后加入7倍過量的NH4Cl,反應后將溶液蒸干得到不水解的物質(NH4)3ErCl6。該物質真空下加熱后分解為DyCl3和NH4Cl。
(NH4)3DyCl6→DyCl3+3 NH4Cl晶體生長用上述方法獲得的PbCl2和KCl為原料。按66.7mol%PbCl2和33.3mol%KCl的比例準確稱量20g,加入1~5at%DyCl3,研磨混合均勻,壓片,填入內徑為10mm石英管中。抽真空,封管,然后將之放入自制的兩溫區(qū)晶體生長爐中,用改良的Bridgman法生長。采用上、下兩端溫區(qū)控溫,上端溫度高,下端溫度低,溫差為200~300℃。把封好的石英管放在上溫區(qū),底端恰好位于上溫區(qū)的最低點,熱平衡之后,通過機械裝置控制石英管下降,下降速率為1~5mm/天,晶體生長結束后,以30℃/h的速率緩慢退火至室溫,取出KPb2Cl5:Dy3+晶體。
實施例二KPb2Cl5:Dy3+晶體的中紅外激光實驗切割加工出一定尺寸、優(yōu)質的KPb2Cl5:Dy3+激光器件,并進行吸收和發(fā)射光譜的測試研究,確定具體的泵浦源和激光發(fā)射波長,針對這些波長數(shù)據(jù),進行諧振腔腔鏡的鍍膜,設計出合適的激光諧振腔,采用~1.34μm波段的合適泵浦源抽運,進行激光實驗,實現(xiàn)3.0μm~5.0μm波段中紅外激光可調諧輸出。
實驗裝置如附圖所示。圖中1是塊狀LiLuF4色心激光晶體;2是~1.34μm波段的合適泵浦源;3是對λ=3000nm~5000nm波長全反射和對~1.34μm波段透射的介質鏡;4是對λ=3000nm~5000nm波長部分透射和對~1.34μm波段全反射的介質鏡;5是LPE-1A激光能量計。
權利要求
1.鏑激活的新型中紅外激光晶體材料,其特征在于該晶體化學式為KPb2Cl5:Dy3+,Dy3+作為激活離子。
2.鏑激活的新型中紅外激光晶體材料,其特征在于該晶體化學式為KPb2Cl5:Dy3+:Yb3+,Dy3+作為激活離子,Yb3+作為敏化離子。
3.一種權利要求1或2的激光晶體的用途,其特征在于該晶體用于實現(xiàn)3.0μm~5.0μm波段中紅外激光可調諧輸出。
全文摘要
鏑激活的新型中紅外激光晶體材料,涉及一類Dy
文檔編號H01S3/16GK101089235SQ20061009146
公開日2007年12月19日 申請日期2006年6月13日 優(yōu)先權日2006年6月13日
發(fā)明者涂朝陽, 李堅富, 王燕, 游振宇, 朱昭捷 申請人:中國科學院福建物質結構研究所