掺镱铌酸钙激光晶体及其制备方法

专利名称：掺镱铌酸钙激光晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及激光晶体，特别是一种用于产生lpm波段飞秒激光的惨镱铌酸钙激 光品体及其制备方法，该激光晶体适用于InGaAs激光二极管泵浦。
背景技术：
飞秒激光在超快时间分辨光谱、微电子加工、光钟、计量、全息、高容量光通 讯等众多领域有着广泛的应用。目前商业化的飞秒激光器多为锁模钛宝石激光器， 但由于钛宝石的吸收谱位于可见光的范围，通常采用515nm氩离子激光器或532 nm 的绿光激光器作为泵浦源，使激光器结构复杂，限制了更广泛的应用。多年來人们 一直在追求可以用激光二极管泵浦直接产生飞秒激光输出的激光材料，并希望研制 成可以提供实际应用的飞秒激光器。
掺镱(Yb)离子激光材料具有能级结构简单，本征量子缺陷低(<0.1)，辐射量 子效率高，与掺钕(Nd)的介质相比，具有更宽的发射荧光带宽，适合宽带调谐激 光运转和超短脉冲激光的产生。
2006年，法国Y. Zaouter等人报道在Yb:CaGdA104晶体中实现激光二极管(以 下简称为LD)泵浦的飞秒激光输出。采用980nm光纤耦合激光二极管泵浦获得了 脉宽为46fs的锁模激光输出。在Yb:CaGdA104晶体中，Yb3+、 Ca"和Gd"的离子半 径接近，导致离子在晶格位置的无序分布，从而引起光谱线的非均匀展宽，有利于 超短脉冲激光产生。
在含有二价碱土金属的基质晶体中，当掺入稀土离子时，稀土离子取代二价碱 土金属离子格位，由于电荷补偿的影响，晶体中出现部分畸变结构，掺入的稀土离 子和碱土金属离子的相互位置不固定，晶体中稀土离子具有无序结构，稀土离子的 吸收和发射谱线都比较宽，可提高二极管泵浦的激光效率，有利于宽的波长调谐和 锁模脉冲激光的输出。
铌酸钙晶体Ca2Nb207属于单斜晶系，空间群为P21，是一种非线性光学品体。 将Yb"参到Ca2Nb207晶体中，该晶体中Yb^无序结构分布，有可能是一种有前途 的激光晶体，有望实现飞秒激光输出。

发明内容
本发明的目的在于公开一种新型的掺镱铌酸钙激光晶体及其制备方法，掺镱铌 酸钙激光晶体的分子式为Yb:Ca2Nb207，它是一种能够采用InGaAs 二极管泵浦的， 实现lps波段飞秒激光输出的激光材料。
本发明的具体实施方案如下
一种惨镱铌酸钙激光晶体，其分子式为Yb:Ca2Nb207，特征在于其原料配方为
原料摩尔比
Yb203 x
CaC03 2(1-x)
和Nb205, 1
其中x的取值范围为0.005 0.25。
所述的掺镱铌酸钙激光晶体的制备方法，其特征在于采用熔体法生长 Yb:Ca2Nb207单晶，具体步骤是选定x值后，按摩尔比称量原料，将原料充分混 合均匀后，在液压机上压制成块，然后装入坩埚内，采用熔体法生长Yb:Ca2Nb207单晶体。
采用提拉法生长Yb:Ca2Nb207晶体，坩埚材料为铱，籽晶采用
方向的 Ca2Nb207单晶棒或Yb:Ca2Nb207单品棒，晶体生长在高纯N2气氛中进行。
采用温度梯度法生长Yb:Ca2Nb207晶体，坩埚材料为高纯石墨，坩埚底部不放 籽晶，或放入[OOl]方向的Ca2Nb;;07单品棒或Yb:Ca2Nb207单品棒，晶体生长在高纯N2气氛中进行。
本发明的技术效果
将采用上述方法生长的Yb:Ca2Nb207晶体，切割成片，光学抛光后，在室温下 测试其光谱性能，采用Jasco V-570 UV/VIS/NIR分光光度计测试吸收光谱。采用 riax550荧光光谱仪测试红外发射光谱，泵浦源采用波长为980nm的InGaAs激光二 极管。结果如图1所示，图1为Yb:Ca2Nb207晶体的光谱性能，其中900 1000nm 波段的强吸收带，有利于采用InGaAs激光二极管进行泵浦。表明所生长的 Yb:Ca2Nb207晶体具有大的发射和较宽的发射带宽。本发明的Yb:Ca2Nb207晶体在 975 nm附近的吸收带宽为7.5nm，其发射带宽高达57nm，优于Yb:YAG (3nm， 10nm)晶体，发射带宽与磷酸盐玻璃相当(62nm)。
本发明的特点是采用提拉法生长出质量优良的镱离子掺杂无序结构 Yb:Ca2Nb207晶体，可以采用商业化的InGaAs激光二极管作为有效的泵浦光源，实 现飞秒激光的输出。


图1为Yb:Ca2Nb207晶体的非偏振吸收光谱和发射光谱
具体实施例方式
实施例1.
选取x二0.005， 4f-Yb203, CaC03和Nb20s高纯原料按照0.005:1.99:1称量。混
合均匀后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内，采用提拉法生长晶体，籽品采用经 X射线衍射仪精确定向端面法线方向为
的Ca2Nb207单品棒，品体生长在高纯 N2气氛中进行，对所生长的Yb:Qi2Nb207晶体进行光谱性能测试，结果如图1所示， 其中900 1000nm波段的强吸收带，有利于采用InGaAs激光一.极管进行泵浦。表 明所生长的Yb:Ca2Nb207品体具有大的发射和较宽的发射带宽。本发明的 Yb:Ca2Nb207晶体在975 nm附近的吸收带宽为7.5 nm，其发射带宽高达57 nm，优 于Yb:YAG (3nm， 10nm)晶体，发射带宽与磷酸盐玻璃相当(62nm)。
实施例2.
选取x = 0.05，将Yb203， CaC03禾n Nb205高纯原料按摩尔比等于0.059:1称
量。混合均匀后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内，采用提拉法生长晶体，籽晶 采用经X射线衍射仪精确定向端面法线方向为
的Ca2Nb207单晶棒，晶体生长
在高纯N2气氛中进行。
实施例3.
选取x二O.l，将丫15203， CaC03和Nb205高纯原料按摩尔比等于0.1:1.8:1称量。
混合均匀后在液压机上压制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部无籽品。采用温度梯
度法，在高纯N2气氛中生长晶体。
实施例4.
选取x = 0.15，将Yb203， CaC03禾卩Nb205高纯原料按摩尔比等于0.15:1.7:1称
量。混合均匀后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内，采用提拉法生长晶体，籽晶 采用经X射线衍射仪精确定向端面法线方向为
的Ca2Nb207单晶棒，晶体生长
在高纯N2气氛中进行。
实施例5.
选取x二0.2，将Yb203， CaC03和Nb205高纯原料按摩尔比等于0.2:1.6:1称量。
混合均匀后在液压机上压制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部放有经X射线衍射仪 精确定向端面法线方向为
的Ca2Nb207单晶棒。采用温度梯度法，在高纯N2气 氛中生长品体。
实施例6.
选取x = 0.25，将Yb203， CaC03和Nb205高纯原料按摩尔比等于0.25:1.5:1称
量。混合均匀后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内，采用提拉法生长品体，籽晶采用经X射线衍射仪精确定向端面法线方向为
的Ca2Nb207单晶棒，晶体生长在高纯N2气氛中进行。
上述实施例都具有相类似的光谱特性。实验表明，本发明生长的Yb:Ca2Nb207 品体具有大的发射和较宽的发射带宽，是一种能够采用InGaAs激光二极管泵浦的， 实现lps波段飞秒激光输出的激光材料。
权利要求
1、一种掺镱铌酸钙激光晶体，其分子式为Yb:Ca2Nb2O7，特征在于其原料配方为原料 摩尔比Yb2O3xCaCO32(1-x)和Nb2O5，1其中x的取值范围为0.005～0.25。
2、 权利要求1所述的掺镱铌酸钙激光品体的制备方法，其特征在于采用熔体法 生长Yb:Ca2Nb207单晶，具体步骤是选定x值后，按摩尔比称量原料，将原料充 分混合均匀后，在液压机上压制成块，然后装入坩埚内，采用熔体法生长Yb:Ca2Nb207单晶体。
3、 根据权利要求2所述的掺镱铌酸钙激光晶体的制备方法，其特征在于所述的 熔体法为提拉法，采用提拉法生长Yb:Ca2Nb207晶体，坩埚材料为铱，籽晶采用
方向的Ca2Nb207单晶棒或Yb:Ca2Nb207单品棒，晶体生长在高纯N2气氛中进行。
4、 根据权利要求2所述的掺镱铌酸钙激光品体的制备方法，其特征在于所述的 熔体法为温度梯度法，采用温度梯度法生长YkCa2Nb207晶体，坩埚材料为高纯石 墨，坩埚底部不放籽品，或放入
方向的Ca2Nb207单品棒或Yb:Ca2Nb207单晶棒，品体生长在高纯N2气氛中进行。
全文摘要
一种掺镱铌酸钙激光晶体及其制备方法，其分子式为Yb:Ca₂Nb₂O₇，原料为Yb₂O₃、CaCO₃和Nb₂O₅，原料的摩尔比等于x∶2(1-x)∶1，其中x的取值范围为0.005～0.25。该激光晶体采用熔体法生长单晶，具体步骤是选定x值后，按摩尔比称量原料，将原料充分混合均匀后，在液压机上压制成块，然后装入坩埚内，采用熔体法生长Yb:Ca₂Nb₂O₇单晶体。该激光晶体采用InGaAs激光二极管泵浦，可实现1μs波段飞秒激光输出。
文档编号H01S3/16GK101174756SQ200710171390
公开日2008年5月7日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者锋 吴, 罡 姚, 军 徐, 徐晓东, 艳 程 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所