專利名稱：摻鐿硼酸釓鋰激光晶體及其制備方法
技術領域：
本發明涉及激光晶體領域，具體涉及一種摻鐿硼酸釓鋰激光晶體及其制備方法。
背景技術：
隨著鈦寶石激光器的研制成功，飛秒和可調諧激光技術在科研上獲得了廣泛的應用。但是鈦寶石激光器的復雜的結構和龐大的體積，限制了它在工業上的應用。20世紀90年代，研究目標集中在Cr:LiSAF晶體上，用它制造的激光器具有結構緊湊、體積小和效率高的優點，但是其激光輸出功率不夠大，應用范圍也可能局限于生物醫學成像領域。最近，在幾種摻Yb^離子的激光晶體中實現了飛秒脈沖激光輸出，其中Yb:Sr3Y(B03)3晶體獲得了平均功率為80mw、脈沖寬度為69fs的飛秒脈沖激光輸出。因此，探索新型適合工業應用的小體積、便攜式的，能夠用LD泵浦的摻Yl^+離子超快激光晶體成為激光材料研究的一個新熱點。
摻Yb"離子激光晶體的研究隨著大功率InGaAs半導體激光器的發展日益受到重視。作為激光激活離子，Y^+離子具有以下特點
1) Yb^離子為能級最為簡單的稀土激活離子，電子構型為[Xe]4/3，僅有一個基態2^7/2和一個激發態2尸5/2，兩者的能級間隔為10000cm"，在晶格場作用下，能夠產生斯塔克分裂，形成準三能級的激光運行機制。
2) Yb"離子的吸收帶在0.9 1.0nm波長范圍，能與InGaAs LD有效耦合，且吸收半峰寬(FWHM)寬，無需嚴格的控溫條件。
3) 量子虧損低，泵浦波長與激光輸出波長非常接近，這將導致大的本征激光斜效率，理論上其量子效率高達卯％左右。
4) 熒光壽命長，通常為摻NW+離子激光材料的2 3倍，長的壽命有利于儲能。
5) 由于只有兩個能級，從而避免了激發態吸收，濃度猝滅和上轉換等不必要的能量損失，并且可以摻雜很高的Y^+離子濃度。
因此，用LD泵浦的摻Yb^離子激光器具有很高的效率，其可以用來發展大功率激光器，微片激光器以及綠色自倍頻激光器。由于Y^+離子的最外層電子結構為4f13，具有較大的自旋-軌道耦合系數，其發射線寬特別寬，還可以作為可調諧和飛秒激光器的工作物質。最先實現飛秒脈沖激光輸出的是Yb:YAG晶體和Yb:glass。晶體相對于玻璃具有較好的機械和熱特性，而成為摻YbS+離子的最佳基質。最近，Yb:Sr3Y(B03)3激光晶體獲得了平均功率為80mW，脈沖寬度為69fs的飛秒脈沖激光輸出，這是迄今為止在摻YbS+離子的激光晶體中實現的最短脈沖。
硼酸釓鋰，其化合物化學式為Li6GdB309，在釓離子格位上摻入鈰離子，可以作為中子探測晶體材料。同樣，該晶體還可在釓離子格位上摻入鐿離子，作為激光晶體材料。作為一種摻鐿硼酸釓鋰激光晶體材料，Li6YbxGd!.xB309激光晶體既可以實現LD泵浦，又可以作為一種能夠產生超快激光脈沖輸出的晶體材料，因此可以預期該激光晶體可以在工業方面得到廣泛的應用，然而現有技術中，對此類激光晶體的報道還非常少。
發明內容
本發明提供了一種摻鐿硼酸釓鋰激光晶體及其制備方法，該摻鐿硼酸釓鋰激光晶體可應用于激光領域，可以用LD激光泵浦，還可以用于產生超快激光脈沖。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下
一種摻鐿硼酸釓鋰激光晶體，該晶體的化學式為Li6YbxGd^B309，其中x為Yb3+
的慘雜濃度，且x的取值范圍為0<x《0.3。
本發明摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法包括如下步驟
1) 晶體生長原料的配取按比例稱量各種原料后混合均勻成配合料；
2) 晶體生長原料的合成將配合料壓成料塊后燒結制得晶體生長原料；
3) 單晶制備將晶體生長原料加熱至充分熔化，獲得晶體生長熔體，采用提拉法進行晶體生長獲得摻鐿硼酸釓鋰激光晶體。
該制備方法具體為
1) 晶體生長原料的配取根據化學式Li6YbxGd^B309中各組分的化學計量比稱量各種原料后混合均勻成配
合料；
2) 晶體生長原料的合成
將步驟1)中制備的配合料壓成料塊后放入剛玉杯中，置于馬弗爐中，升溫到440~460°C，燒結9 11小時后，降溫；取出后，研磨，再次壓成料塊，放入馬弗爐，升溫至650~750°C，燒結9至11小時后，降溫；3)單晶制備
將燒結好的原料置入坩堝中，放入提拉爐中，加熱至充分熔化，獲得晶體生長熔體；然后以鉑金絲或硼酸釓鋰單晶作為晶體生長籽晶，采取提拉法進行生長。
所述步驟l)中的原料包括含Li元素原料、含B元素原料、含Gd元素原料和含Yb元素原料。
優選的，所述含Li元素原料選自Li2C03和LiOH中的一種或多種；含B元素原料選自H3B03和B203中的一種或多種；含Gd元素原料為Gd203;含Yb元素原料為Yb203o
優選的，所述步驟l)中，含B元素原料的重量過量1~5% (即含B元素原料的重量比按照化學式中B元素的化學計量比計算出來的含B元素原料的重量過量卜5%)。
優選的，所述步驟2)中料塊體為圓柱體料塊體。
優選的，所述步驟3)釆用提拉法進行晶體生長時，晶體生長溫度為800 865'C，晶體生長時轉速為1 10rpm，拉速為0.1 2mm/h，降溫速率為0.4~0.8°C/h。
優選的，所述步驟3)采用提拉法進行晶體生長時，晶體生長在空氣、氮氣、氬氣、含氧1~1(^1.%的氮氣或含氧1 10at.。/。的氬氣的氣氛中進行。
優選的，所述步驟3)中采用提拉法進行晶體生長時，以鉑金絲或硼酸釓鋰單晶作為晶體生長籽晶，且硼酸釓鋰籽晶方向可任意。
優選的，所述步驟3)中的坩堝為鉑金坩堝或銥金坩堝。
本發明通過提拉法制備了一種應用于激光領域的Li6YbxGd!.xB309激光晶體，該晶
體具有較大的吸收半峰寬(67nm)和發射半峰寬(57nm)，在969nm波長處的吸收截面為5.7xl0—21cm2，在1020nm波長處的發射截面為3.9x10—21cm2。該晶體吸收峰寬，有利于LD泵浦激光的輸出。同時，該晶體具有很寬的發射峰(57nm)，有利于產生超快激光脈沖，是一種潛在的新型超快激光晶體。本發明的Li6YbxGd^B309激光晶體可以用LD激光泵浦，還可以用于產生超快激光脈沖，為工程化應用提供了良好的基礎。
圖l本發明制備的Li6YbcuGda9B309晶體的吸收(發射)截面與波長的關系示意圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例進一步描述本發明所述的摻鐿硼酸釓鋰激光晶體及其制備方法。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。實施例1
按照化學式為Li6Yb(uGdo.9B309 (x=0.1)的摻鐿硼酸釓鋰激光晶體，具體步驟如
下
1、 按化學式中各組分計量比稱量Li2C03 (純度為99.99%) 77.59g、 Gd203 (純度為99.99%) 57.09g、 B203 (純度為99.99%) 36.92g和Yb203 (純度為99.99%) 6.90g，將上述原料混合均勻成配合料；
2、 將混合均勻的配合料壓成直徑為50mm的圓柱狀塊狀，放入剛玉杯中，在450'C溫度下燒結10小時，取出，重新研磨，再壓成塊狀，置入馬弗爐中，在700'C下燒結10小時；
3、 燒結完成后的原料置于直徑為60mm的銥金坩堝中，以純硼酸釓鋰單晶為籽晶，轉速為5rpm，拉速為0.5mm/h，晶體生長溫度為800°C，降溫速率為0.6°C/h。在空氣氣氛中經過3天的生長，可生長出直徑為25mm，長度為30mm左右的單晶。
單晶性能檢測結果該晶體具有較大的吸收半峰寬(67nm)和發射半峰寬(57nm)，熒光壽命為2.8ms。在969nm波長處的吸收截面為5.7xl0-21cm2,在1020nm波長處的發射截面為3.9xlO'"cm2。該晶體吸收峰寬，有利于LD泵浦激光的輸出，該晶體的吸收截面和發射截面與波長的關系如圖l所示。同時，該晶體的發射峰也很寬(57nm)，有利于產生超快激光脈沖，是一種潛在的新型超快激光晶體。
實施例2
按照化學式為Li6YbaG1Gd,B309 (x=0.01)的摻鐿硼酸釓鋰激光晶體，具體步驟如下
1、按化學式中各組分計量比稱量LiOH (純度為99.99%) 50.29g、 Gd203 (純度為99.99%) 62.80g、 B203 (純度為99.99%) 36.92g禾卩Yb203 (純度為99.99%) 0.69g，
將上述原料混合均勻成配合料；
2、 將混合均勻的配合料壓成直徑為50mm的圓柱狀塊狀，放入剛玉杯中，在450'C溫度下燒結IO小時，取出，重新研磨，再壓成塊狀，置入馬弗爐中，在650'C下燒結IO小時；
3、 燒結完成后的原料置于直徑為60mm的銥金坩堝中，以鉑金絲為籽晶，轉速為lrpm，拉速為0.1mm/h，晶體生長溫度為845°C，降溫速率為0.4°C/h。在含氧lat.%的氮氣氣氛中經過3天的生長，可生長出直徑為25mm，長度為30mm左右的單晶。
實施例3
按照化學式為Li6Ybo.3Gdo.7B309 (x=0.3)的摻鐿硼酸釓鋰激光晶體，具體步驟如
下-
1、 按化學式中各組分計量比稱量Li2C03 (純度為99.99%) 50.29g、 Gd203 (純度為99.99。/。)44.41g、H3B03(純度為99.99%)65.57g和丫1)203(純度為99.99Q/O)20.69g，
將上述原料混合均勻成配合料；
2、 將混合均勻的配合料壓成直徑為50mm的圓柱狀塊狀，放入剛玉杯中，在45(TC溫度下燒結10小時，取出，重新研磨，再壓成塊狀，置入馬弗爐中，在75(TC下燒結10小時；
3、 燒結完成后的原料置于直徑為60mm的銥金坩堝中，以硼酸釓鋰單晶為籽晶，轉速為10rpm，拉速為2mm/h，晶體生長溫度為865°C，降溫速率為0.8°C/h。在含氧10at。/。的氬氣氣氛中經過3天的生長，可生長出直徑為25mm，長度為30mm左右的單晶。
權利要求
1、一種摻鐿硼酸釓鋰激光晶體，該晶體的化學式為Li6YbxGd1-xB3O9，且x的取值范圍為0＜x≤0.3。
2、 權利要求1所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，包括如下步驟1) 晶體生長原料的配取按比例稱量各種原料后混合均勻成配合料；2) 晶體生長原料的合成將配合料壓成料塊后燒結制得晶體生長原料；3) 單晶制備將晶體生長原料加熱至充分熔化，獲得晶體生長熔體，采用提拉法進行 晶體生長獲得摻鐿硼酸釓鋰激光晶體。
3、 如權利要求2所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，其特征在于，所述步驟l) 中的原料包括含Li元素原料、含B元素原料、含Gd元素原料和含Yb元素原料。
4、 如權利要求3所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，其特征在于，所述含Li元 素原料選自Li2C03或LiOH中的一種或多種；含B元素原料選自H3B03或B203中的一種 或多種；含Gd元素原料為Gd203;含Yb元素原料為Yb203。
5、 如權利要求3所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，其特征在于，所述含B元 素原料的重量過量1~5%。
6、 如權利要求2所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，其特征在于，所述步驟2) 中的晶體生長原料的合成步驟為將配合料壓成料塊后燒結，降溫并研磨后再次壓成料塊 燒結，降溫。
7、 如權利要求2所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，其特征在于，所述步驟3) 采用提拉法進行晶體生長時，晶體生長溫度為800 865。C,晶體生長時轉速為1 10rpm，拉 速為0.1~2mm/h，降溫速率為0.4~0.8°C/h。
8、 如權利要求2所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，其特征在于，所述步驟3) 采用提拉法進行晶體生長時，晶體生長在空氣、氮氣、氬氣、含氧1~10化％的氮氣或含氧 1 10at/K)的氬氣的氣氛中進行。
9、 如權利要求2所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，其特征在于，所述步驟3) 中采用提拉法進行晶體生長時，以鉑金絲或硼酸釓鋰單晶作為晶體生長籽晶。
全文摘要
本發明公開了一種摻鐿硼酸釓鋰激光晶體及其制備方法，該摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的化學式為Li<sub>6</sub>Yb<sub>x</sub>Gd<sub>1-x</sub>B<sub>3</sub>O<sub>9</sub>，其中x的值為0＜x≤0.3。本發明還提供了所述摻鐿硼酸釓鋰激光晶體的制備方法，包括如下步驟晶體生長原料的配取、晶體生長原料的合成和提拉法制備單晶。本發明的摻鐿硼酸釓鋰激光晶體具有較大的吸收半峰寬和發射半峰寬，有利于LD泵浦激光的輸出，并且有利于產生超快激光脈沖，是一種潛在的新型超快激光晶體，為工程化應用提供了良好的基礎。
文檔編號C30B15/00GK101597797SQ20091005421
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者丁棟舟, 任國浩, 張衛東, 帆 楊, 潘尚可, 晟 陸 申請人:上海硅酸鹽研究所中試基地;中國科學院上海硅酸鹽研究所