專利名稱：摻鐿正鈮酸鈣激光晶體及其生長方法
技術領域：
本發明涉及激光晶體，特別是一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體及其生長方法，化學式為YbxCa(1-2x/3)Nb206 ( 0.005《x《0.2),(簡稱為Yb: CaNb206)。本發明是一種用于產生lpm波段飛秒激光的激光晶體，它適 合于InGaAs 二極管泵浦。
背景技術：
摻鐿(Yb3+)激光材料在900—980nm范圍具有較強的吸收，能與高效 的InGaAs激光二極管(波長為900—1100nm)有效地耦合，加之它能級簡 單，抽運波長與振蕩波長相近，量子效率高，這些優點十分有利于在IOOOnm 附近實現超快高功率激光輸出。摻鐿激光材料的發射譜帶越寬，愈容易實現 寬調諧和高功率超快激光的輸出。因此，隨著高性能InGaAs激光二極管的發 展和成本的降低，近年來，尋求具有寬發射譜的Yb摻雜激光增益介質材料引 起了人們的極大興趣。 一般而言，Yb離子占據基質中低對稱性的格位或多種 格位，非常有利于Yb的吸收和發射光譜的寬化。至今，己發現有較寬發射譜 帶適宜于寬調諧超快激光輸出的Yb激光材料主要有Yb:Phosphate QX玻璃， Yb:Sr3Y(B03)3 (Yb:BOYS)， Yb:SrY4(Si04)3 (Yb:SYS)， Yb:Y2Si05 (Yb:YSO) 和Yb:Lu2Si05 (Yb丄SO)等材料(參見2002年J. Opt. Soc. B.,Vo1.19 (5), p.1083, 2004年Opt. Lett. Vol.29， p. 1879,和2005年Opt. Lett. Vol.30 p. 857)。飛秒激光在超快時間分辨光譜、微電子加工、光鐘、計量、全息、高容 量光通訊等眾多領域有著廣泛的應用。目前商業化的飛秒激光器多為鎖模鈦 寶石激光器，但由于鈦寶石的吸收譜位于可見光的范圍，通常采用515nm氬 離子激光器或532nm的綠光激光器作為泵浦源，使激光器結構復雜，限制了 其更廣泛的應用。多年來人們一直在追求用激光二極管泵浦可以直接產生飛 秒激光輸出的激光材料，并希望研制成可以提供實際應用的飛秒激光器。2006年，法國Y. Zaouter等人報道在Yb:CaGdA104晶體中實現激光二 極管泵浦的飛秒激光輸出。采用980nm光纖耦合激光二極管泵浦獲得了脈寬為46fs(飛秒)的鎖模激光輸出。在Yb:CaGdA104晶體中，Yb3+、 Ca2+ 和Gc^的離子半徑接近，導致離子在晶格位置的無序分布，從而引起光 譜線的非均勻展寬，有利于超短脈沖激光產生。在含有二價堿土金屬的基質晶體中，當摻入^L士離子時，稀土離子取 代二價堿土金屬離子格位，由于電荷補償的影響，晶體中出現部分畸變 結構，摻入的稀土離子和堿土金屬離子的相互位置不固定，晶體中稀土 離子具有無序結構，稀土離子的吸收和發射譜線都比較寬，可提高激光 二極管泵浦的激光效率，有利于寬的波長調諧和鎖模脈沖激光的輸出。正鈮酸鈣晶體CaNb206屬于正交晶系，空間群為/):，是一種優良的激光基質晶體。將Y^+摻到CaNb206晶體中，該晶體中Yb^無序結構分 布，有可能是一種有前途的激光晶體，有望實現飛秒激光輸出。發明內容本發明的目的在于公開一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體及其生長方法，以 獲得適用InGaAs激光二極管有效泵浦的輸出飛秒激光的激光晶體。 本發明的技術解決方案如下一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體，其特點是該摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的 化學式為YbxCa(1.2x/3)Nb206，其中x的取值范圍是0駕《x《0.2,簡 稱為Yb: CaNb206，該晶體的熔點為1560°C，相變點為925°C，晶體無色。一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的生長方法，包括下列步驟① 原料配方初始原料采用Yb203、 CaCOjnNb205，并按摩爾比;c/2 : 〃-2x/" : 1 進行配料，其中x的取值范圍為0.005 0.20;② 選定原料配方的摩爾比后，稱取所有原料Yb203、 CaC03和Nb205， 充分混合均勻后在液壓機上壓制成塊，然后燒結成Yb:CaNb206晶體原 料塊，然后裝入坩堝內，采用熔體法生長Yb:CaNb206單晶，晶體生長 結束，晶體提脫后，采用有氧并避開晶體的相變點的降溫退火處理。所述的摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的生長方法為提拉法，其具體歩驟是將晶體原料塊裝入銥金坩堝，將銥坩堝和籽晶裝入提拉單晶爐內，所述的籽晶是<001>方向的CaNb206晶棒，裝入單晶爐完后，單晶爐內抽真 空至l 10Pa，充入0.01 0.03 MPa中性氣氛或還原性氣氛，在高于熔 點50 80。C時化料，恒溫1 2小時，在156(TC時進行晶體生長，晶體 生長速度為1 2mm/h，晶體的轉動速度為5 10rpm (轉/每分鐘)，晶 體生長結束，晶體提脫后，充0.001 0.003 MPa氧氣或空氣，以20 40°C/h 的速率降溫，當降溫至950 100(TC時，通過調整加熱功率，快速跳過 該晶體的相變點溫度；或者加快降溫速率，以40 6(TC/h的降溫速率來 避開該晶體的相變點溫度925°C,最后取出Yb:CaNb206晶體。將生長的Yb:CaNb206晶體，切割成片，光學拋光后，在室溫下測 試其光譜性能，采用Jasco V-570 UV/VIS/NIR分光光度計測試吸收光譜。 采用riax550熒光光譜儀測試紅外發射光譜，泵浦源采用波長為940nm 的InGaAs激光二極管。其測試結果如圖1所示，圖1為本發明方法生 長的Yb:CaNb206晶體的光譜性能，其中900 1000nm波段的強吸收帶 有利于采用InGaAs激光二極管進行泵浦。Yb:CaNb206晶體具有大的發 射和發射帶寬。本發明的Yb:CaNb206晶體在975 nm附近的吸收帶寬為 8nm，其發射帶寬高達70nm，優于Yb:YAG (3 nm， 10 nm)晶體和 磷酸鹽玻璃(62nm)。本發明的特點是采用提拉法生長出質量優良的鐿離子摻雜無序結構 Yb:CaNb206晶體，可以采用商業化的InGaAs激光二極管作為十分有效 的泵浦光源，實現飛秒激光的輸出。
圖1為本發明Yb:CaNb206晶體的非偏振吸收光譜和發射光譜具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。 實施例1.本實施例Yb:CaNb206單晶體的生長方法，包括下列步驟 Yb:CaNb206晶體原料的制備按照0.0025 : 0.997 : 1的摩爾比稱量Yb203、CaC03和Nb205高純原 料，混合均勻后在液壓機上壓制成塊，然后燒結成Yb:CaNb206晶體原 料塊；②采用提拉法生長Yb:CaNb206單晶采用提拉法生長Yb:CaNb206單晶體，將晶體原料塊裝入銥金坩堝， 將銥坩堝和籽晶裝入提拉單晶爐內，所述的籽晶是<001>方向的(^礎206 晶棒，裝入單晶爐完后，單晶爐內抽真空至5Pa，充入0.03MPa中性氣 氛或還原性氣氛，在高于熔點50 80。C (1610°C 1640°C)時化料，恒 溫1 2小時，在156(TC時進行晶體生長，晶體生長速度為lmm/h，晶 體的轉動速度為10rpm，晶體生長結束，晶體提脫后，充0.003 MPa氧 氣，以20°C/h的速率降溫，當降溫至950 1000。C時，通過調整加熱功 率，快速跳過相變點溫度；或者加快降溫速率，以4(TC/h的降溫速率來 避開相變點溫度925"C，最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、 不開裂。經測試，其光譜性能如圖1所示，結果表明該晶體在900 1000nm波段具有強吸收帶，有利于采用InGaAs激光二極管進行泵浦。 Yb:CaNb206晶體具有大的發射和發射帶寬。采用本發明方法生長出質量 優良的鐿離子摻雜無序結構Yb:CaNb206晶體，可以采用商業化的 InGaAs激光二極管作為十分有效的泵浦光源，實現飛秒激光的輸出。實施例2.本實施例和實施例1的生長方法基本相同，特點是按照0.05 : 0.967 : 1摩爾比稱量Yb203、 CaC03和Nb20s的高純原料，混合均勻后 在液壓機上壓制成塊，然后燒結成Yb:CaNb206晶體原料塊；將晶體原料塊放入銥坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經x射線衍射儀精 確定向端面法線方向為
的CaNb206單晶棒，晶體生長在高純N2氣 氛中進行。生長過程中，晶體的生長速度約為1.2mm/h，晶體的轉動速 度約為9rpm。最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、不開裂。實施例3.本實施例和實施例1的生長方法基本相同，特點是按照0.1:0.933:1 摩爾比稱量Yb203、 CaC03和Nb20s高純原料，混合均勻后在液壓機上 壓制成塊，然后燒結成Yb:CaNb206晶體原料塊；將晶體原料塊放入銥 坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經X射線衍射儀精確定向端面 法線方向為
的CaNb206單晶棒，晶體生長在高純N2氣氛中進行。 生長過程中，晶體的生長速度約為1.5mm/h，晶體的轉動速度約為8rpm。 最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、不開裂。實施例4.本實施例和實施例1的生長方法基本相同，特點是按照0.15:0.9:1 摩爾比稱量Yb203、 CaC03和Nb20s高純原料，混合均勻后在液壓機上 壓制成塊，然后燒結成Yb:CaNb206晶體原料塊；將晶體原料塊放入銥 坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經X射線衍射儀精確定向端面 法線方向為
的CaNb206單晶棒，晶體生長在高純N2氣氛中進行。 生長過程中，晶體的生長速度約為1.8mm/h，晶體的轉動速度約為 7.5rpm。最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、不開裂。實施例5.本實施例和實施例1的生長方法基本相同，特點是按照0.2:0.867:1 摩爾比稱量Yb203、 CaC03和Nb20s高純原料，混合均勻后在液壓機上 壓制成塊，然后燒結成Yb:CaNb206晶體原料塊；將晶體原料塊放入銥坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經x射線衍射儀精確定向端面 法線方向為
的CaNb206單晶棒，晶體生長在高純N2氣氛中進行。 生長過程中，晶體的生長速度約為2mm/h，晶體的轉動速度約為6rpm。 最后取出的Yb:CaNb206晶體無色透明、完整、不開裂。
權利要求
1、一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體，其特征在于該摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的化學式為YbxCa(1-2x/3)Nb2O6，其中x的取值范圍是0.005≤x≤0.2，簡稱為Yb:CaNb2O6，該晶體的熔點為1560℃，相變點為925℃，晶體無色。
2、 權利要求1所述的摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的生長方法，其特征在 于包括下列步驟① 原料配方初始原料采用Yb203、 CaCOjBNb205,并按摩爾比x/2 : "-2x/3; : 1 進行配料，其中x的取值范圍為0.005 0.20;② 選定原料配方的摩爾比后，稱取所有原料Yb203、CaC03和Nb205， 充分混合均勻后在液壓機上壓制成原料塊，然后裝入坩堝內，采用熔體 法生長Yb:CaNb206單晶，晶體生長結束，晶體提脫后，采用有氧并避 開晶體的相變點的降溫退火處理。
3、 根據權利要求2所述的摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的生長方法，其特征在于所述的熔體法為提拉法，其具體步驟是將原料塊裝入銥金坩堝， 將銥坩堝和籽晶裝入提拉單晶爐內，所述的籽晶是O01〉方向的CaNb206 晶棒，裝入單晶爐完后，單晶爐內抽真空至1 10Pa，充入0.01 0.03MPa 中性氣氛或還原性氣氛，在高于熔點50 8(TC時化料，恒溫1 2小時， 在156(TC時進行晶體生長，晶體生長速度為1 2mm/h，晶體的轉動速 度為5 10rpm，晶體生長結束，晶體提脫后，充0.001 0.003 MPa氧氣 或空氣，以20 40°C/h的速率降溫，當降溫至950 100(TC時，通過調 整加熱功率，快速跳過該晶體的相變點溫度；或者加快降溫速率，以40 60°C/h的降溫速率來避開該晶體的相變點溫度925°C，最后取出 Yb:CaNb206晶體。
全文摘要
一種摻鐿正鈮酸鈣激光晶體及其生長方法，該摻鐿正鈮酸鈣激光晶體的化學式為Yb<sub>x</sub>Ca<sub>(1-2x/3)</sub>Nb<sub>2</sub>O<sub>6</sub>，其中x的取值范圍是0.005≤x≤0.2，簡稱為Yb:CaNb<sub>2</sub>O<sub>6</sub>，該晶體的熔點為1560℃，相變點為925℃，晶體無色。其生長方法為熔體法生長，晶體生長結束后，采用有氧并避開晶體的相變點的降溫退火處理。采用本發明方法可生長出質量優良的鐿離子摻雜無序結構Yb:CaNb<sub>2</sub>O<sub>6</sub>晶體，可以采用InGaAs激光二極管作為泵浦光源，實現飛秒激光的輸出。
文檔編號H01S3/16GK101222114SQ20081003310
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者鋒 吳, 罡 姚, 軍 徐, 徐曉東, 楊新波, 艷 程 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所