一種摻釹釩酸鑭釔激光晶體及其制備方法和應用的制作方法

專利名稱：一種摻釹釩酸鑭釔激光晶體及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電子功能材料技術領域，尤其涉及人工晶體和晶體生長領域中的
一種可應用于固體激光器的慘釹釩酸鑭釔激光晶體及其生長方法以及應用。
專利背景 激光晶體是固體激光器的工作物質，由基質材料和激活離子組成。自1960年，
人造紅寶石脈沖激光器研制成功以來，迄今為止，已發現了數百種激光晶體，但因各種原因，
能真正得到實際應用的激光晶體只有十來種。
目前，摻釹離子的釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體，因具有較好的物理和化學性能，且易于 生長出高光學質量、大尺寸的優質晶體，而得到廣泛的應用。但是，作為輕便型的激光器， 必須實現LD泵浦下的全固化，而Nd:YAG晶體在808nm的吸收峰線寬僅lnm，而典型LD 輸出線寬達3nm，且發射波長存在0.2 0.3nm/"C的溫度系數。因此，采用LD泵浦Nd:YAG 晶體時，為了提高泵浦效率，使LD的輸出波長正好對準Nd:YAG晶體的吸收峰，需要使用 額外的溫控裝置調節LD的工作溫度。為此，國際上掀起了探索適于LD泵浦的高效率、寬 吸收帶激光晶體的研究熱潮。
近年來研究發現，摻釹的釩酸釔(Nd:YVCU)晶體與Nd:YAG晶體相比，具有較大的受 激發射截面，其在a軸方向Nd:YV04晶體1064nrn波長的受激發射截面約為Nd:YAG晶體的 4倍，且在泵浦波長808nm處具有較寬的吸收帶(約為Nd:YAG的5倍)。因此，Nd:YV04 晶體具有比較低的泵浦閾值及比較高的轉換效率，特別適合于LD泵浦的全固態固體激光器。 另外，對于LD泵浦摻Nd介質腔內倍頻實現532nm的激光輸出，Nd:YV04晶體是一種最重 要的材料。因為，在端面泵浦的系統中，泵浦光束通常是高度聚焦的，很難在超過幾毫米的 距離內維持小的束腰，而吸收截面和增益都很高的Nd:YV04晶體將具有較大的優勢。
然而，要獲得高光學質量、物理性能優良的Nd:YV04晶體并不容易， 一方面正釩酸鹽晶
體在高溫下，特別是在熔化后易于分解成含低價態V的多釩酸鹽和02、 V20s等揮發性氣體，
因此其在生長結束后處于嚴重的缺氧狀態，晶體內部的多釩酸鹽容易脫溶析出，形成微小的 散射顆粒及色心。另一方面，Nd:YV04晶體在生長過程中所形成的刃型位錯在熱應力的作用 下，向垂直滑移面的平面移動后，會形成小角度晶界。這些因素都將嚴重影響Nd:YV04晶體 的光學均勻性，大大降低晶體加工的成品率
發明內容
本發明的目的是提供一種光學均勻性好、物理性能優良、能夠直接釆用激光二 極管泵浦且具有較高轉換效率的摻釹釩酸鑭釔激光晶體及其制備方法和應用。
本發明采用以下技術方案摻釹釩酸鑭釔激光晶體為在Nd:YV04晶體中摻入LaV04晶體的熔融化合物，其化學式為Ndx:LayY-x.yV04，其中x=0 0.05， y=0.002 0.2。
上述的摻釹釩酸鑭釔激光晶體屬四方晶系，其空間群為D4h，密度約為4.23g.cm—3，莫氏
硬度約為4 5 (近似玻璃)。
上述的慘釹釩酸鑭釔激光晶體釆用熔體提拉(Czochralski)法進行單晶生長，其制備方
法如下
1) 高純多晶原料合成。按合成Ndx:LayYl-x-yV04化學計量比準確稱取藥品，丫203純 度99.99%、 La203純度99.99%、 Nd203純度99.99%、 NH4V03純度99.5%，并將所稱取的藥 品放入剛玉研缽中研磨均勻、壓片，然后進行高溫燒結。
2) 單晶生長。釆用銥金坩堝作為燒結后合成好的晶體生長的容器，在提拉爐中，使其 在惰性氣體的氣氛下進行單晶提拉，其生長溫度約為1800 190(TC，生長速度為0.5 2.0mm/h，晶體轉速為12 30r/min。透過單晶提拉爐上的石英觀察窗觀察晶體生長時光圈及 生長趨勢的變化情況，并通過歐陸表調節電勢的升降及其變化速率，以控制晶體生長形態。
3) 晶體退火。當晶體生長結束后，將晶體提升并脫離熔體，調整晶體高度，使其高出 熔體表面l 3mm高度，然后緩慢退火至室溫，降溫速率為5 60°C/h。即得到摻釹釩酸鑭釔 激光晶體毛坯。
上述的摻釹釩酸鑭釔激光晶體毛胚按照需要，經定向、切割、粗磨、拋光、鍍膜等加工， 可應用于固體激光器中作為激光工作物質。
上述的摻釹釩酸鑭釔激光晶體采用閃光燈或激光二極管(LD)泵浦。 本發明采用以上技術方案，由于L戶的半徑1.22A較YS+半徑1.07 A大，利用大半徑離 子1^3+替代￥3+進入晶格后所形成的張力可減小該離子(Y3+)附近刃型位錯的應變能，從而 可在一定程度上抑制位錯的遷移和重排，即抑制小角度晶界的形成，可以有效改善Nd:YV04 晶體的光學均勻性，獲得高光學質量、較大尺寸、物理性能優良的摻釹釩酸鑭釔激光晶體， 采用閃光燈或激光二極管(LD)泵浦后，可激發產生914nm、 1064nm、 1085nm、 1342nm波 長的激光輸出，通過頻率變換后也可產生355nm、 447nm、 457nm、 532nm、 543nm、 671nm 波長的激光輸出，其二極管泵浦光一光轉換效率大于65%。此外，該激光晶體可采用提拉法 生長，其生長工藝簡單、周期短，能夠實現大規模低成本的批量生產。晶體制成的固體激光 器可分別用于光譜學、生物醫學、軍事領域中。
具體實施方式
本發明摻釹釩酸鑭釔激光晶體的具體制備方法如下 實施例1:熔體提拉法生長Nd謹2:La謹Yo.938V04激光晶體。
將按化學計量比準確稱量好的Y203 (99.99%) 、 La203 (99.99%) 、 Nd203 ( 99.99%) 、 NH4V03 (99.5%)放入剛玉研缽中混合研磨均勻，壓片后，置于馬弗爐內進行高溫燒結。將合成好的多晶粉末原料放入單晶提拉爐中，采用尺寸約為4)60x40mm3的銥金坩堝作為晶體生長的容 器，在N2氣氛下進行單品提拉。生長溫度約為1800 1900°C，生長速度約為1.5 2.0mm/h， 晶體轉速約為12 25r/min。生長過程中，透過石英觀察窗觀察晶體生長時光圏及生長趨勢的 變化情況，并通過歐陸表調節電勢的升降及其變化速率，以控制晶體生長形態。當生長結束 后，將晶體提升并脫離熔體，調整晶體高度，使其高出熔體表面約0.5mm。然后分5個階段 退火至室溫，降溫速率為5 60°C/h。得到尺寸約為26mmX 30mm (等徑部分)的高光學質 量Nd().003:La0.04Y0.957VO4晶體。
實施例2:熔體提拉法生長Nd,:LaaoQ2Ya968V04激光晶體。
將按化學計量比準確稱量好的Y203(99.99%)、La203(99.99%)、Nd203(99.99%)、NH4V03 (99.5%)放入剛玉研缽中混合研磨均勻，壓片后，置于馬弗爐內進行高溫燒結。晶體生長設 備及生長條件與實施例1相同，得到尺寸約為28mmX31mm (等徑部分)的高光學質量 Nd().03丄ao.。2Y0.95VO4晶體。
實施例3:熔體提拉法生長Ndac5:Lao.wY,VCV激光晶體。
將按化學計量比準確稱量好的Y203(99.99%)、La203(99.99%)、Nd203(99.99%)、NH4V03 (99.5%)放入剛玉研缽中混合研磨均勻，壓片后，置于馬弗爐內進行高溫燒結。晶體生長設 備及生長條件與實施例1相同，得到尺寸約為28mmX32mm (等徑部分)的高光學質量 Ndo.。5:Lao.(uYa94V04晶體。
實施例4:熔體提拉法生長Lao.Q6Yo.94V04激光晶體。
將按化學計量比準確稱量好的Y203 (99.99%)、 La203 (99.99%)、 NH4V03 (99.5%)放 入剛玉研缽中混合研磨均勻，壓片后，置于馬弗爐內進行高溫燒結。晶體生長設備及生長條 件與實施例1相同，得到尺寸約為30mmX32mm (等徑部分)的高光學質量LaQ.o6Y。.94V04 晶體。
實施例5:熔體提拉法生長Lao.2Yo.8VO4激光晶體。
將按化學計量比準確稱量好的Y203 (99.99°/。)、 La203 (99.99%)、 NH4V03 (99.5%)放 入剛玉研缽中混合研磨均勻，壓片后，置于馬弗爐內進行高溫燒結。晶體生長設備及生長條 件與實施例1相同，得到尺寸約為28mmX31mm (等徑部分)的高光學質量Laa2Y().8V04晶體。
權利要求
1、一種摻釹釩酸鑭釔激光晶體，其特征在于其為在Nd:YVO4晶體中摻入LaVO4晶體的熔融化合物，其化學式為Ndx:LayY1-x-yVO4，其中x＝0.0005～0.05，y＝0.002～0.2。
2、 根據權利要求1所述的一種摻釹釩酸鑭釔激光晶體的制備方法，其特征在于采用熔 體提拉(Czochralski)法進行單晶生長，其制備方法如下1) 高純多晶原料合成。按合成Ndx:LayYl-x-yV04化學計量比準確稱取藥品，丫203純 度99.99%、 1^203純度99.99%、 Nd203純度99.99%、 NH4V03純度99.5%，并將所稱取的藥 品放入剛玉研缽中研磨均勻、壓片，然后進行高溫燒結。2) 單晶生長。采用銥金坩堝作為燒結后合成好的晶體生長的容器，在提拉爐中，使其 在惰性氣體的氣氛下進行單晶提拉，其生長溫度約為1S00 190(TC，生長速度為0.5 2.0mm/h，晶體轉速為12 30r/min。透過單晶提拉爐上的石英觀察窗觀察晶體生長時光圈及 生長趨勢的變化情況，并通過歐陸表調節電勢的升降及其變化速率，以控制晶體生長形態。3) 晶體退火。當晶體生長結束后，將晶體提升并脫離熔體，調整晶體高度，使其高出 熔體表面1 3nmi高度，然后緩慢退火至室溫，降溫速率為5 60°C/h。即得到摻釹釩酸鑭釔 激光晶體毛坯。
3、 根據權利要求1所述的一種慘釹釩酸鑭釔激光晶體，其特征在于其屬四方晶系，其 空間群為D4h，密度約為4.23g'cm—3，莫氏硬度約為4 5 (近似玻璃)。
4、 根據權利要求1或2所述的一種慘釹釩酸鑭釔激光晶體的應用，其特征在于其摻釹 釩酸鑭釔激光晶體毛胚按照需要，經定向、切割、粗磨、拋光、鍍膜等加工，可應用于固體 激光器中作為激光工作物質。
5、 根據權利要求1或2所述的一種摻釹釩酸鑭釔激光晶體的應用，其特征在于其摻釹 釩酸鑭釔激光晶體采用閃光燈或激光二極管(LD)泵浦后。
全文摘要
本發明公開了一種摻釹釩酸鑭釔激光晶體，其特征在于其為在Nd:YVO₄晶體中摻入LaVO₄晶體的熔融化合物，其化學式為Nd_x:La_yY_1-x-yVO₄，其中x＝0～0.05，y＝0.002～0.2，由于La³⁺的半徑1.22較Y³⁺半徑1.07大，利用大半徑離子La³⁺替代Y³⁺進入晶格后所形成的張力可減小該離子(Y³⁺)附近刃型位錯的應變能，從而可在一定程度上抑制位錯的遷移和重排，即抑制小角度晶界的形成，可以有效改善Nd:YVO₄晶體的光學均勻性，獲得高光學質量、較大尺寸、物理性能優良的摻釹釩酸鑭釔激光晶體，其二極管泵浦光-光轉換效率大于65％，并且可采用提拉法生長，其生長工藝簡單、周期短，能夠實現大規模低成本的批量生產。
文檔編號C30B15/00GK101319395SQ20081007127
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月25日 優先權日2008年6月25日
發明者凌吉武, 盧秀愛, 礪 吳, 新 陳, 陳衛民 申請人:福州高意通訊有限公司