掺钕硅酸钪激光晶体及其制备方法

专利名称：掺钕硅酸钪激光晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及激光晶体生长，尤其是一种掺钕硅酸钪激光晶体及其制备方法， 属于晶体制备领域。
背景技术：
1960年迈曼制成了第一台红宝石脉冲激光器，它标志了激光技术的诞生。 以人工晶体材料为基质，半导体激光器为泵源的全固态激光器由于具有体积小、 效率高、寿命长和光束质量好等优点，目前在工业、医疗等领域有着广泛的应 用。NcP+是最早用于激光器中的三价稀土离子，是最普遍使用的激活离子。由于 钕离子掺入基质晶体后其吸收光谱中吸收峰刚好与半导体激光器的发射峰相匹 配，适合于激光二极管泵浦系统，冈而成为研究的热点。
目前，应用最广泛的惨钕激光晶体是钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，具有较好 的物理和化学性能，但Nd:YAG晶体生K时伴有杂质应力核心等问题，使毛坯 的中心部分不能用作激光介质，无法获得大尺寸的激光元件。另外，钕离子在 YAG中的分凝系数太小(0.2左右)。因此，近年来人们一直在积极地寻找各种 物理、化学性和优异，且易于生长出光学质量高、大尺寸的优质掺钕激光晶体 材料。
近年来人们研究发现具有单斜结构的硅酸钪晶体，研究结果表明采用提 拉法生长硅酸钪单晶，具有优异的晶体物理化学性能。(参考文献l.S. Campos, A. Denoyer, S. Jandl， B. Viana, D. Vivien， P. Loiseau and B. Ferrand， J. Phys.: Condens. Matter 16， 4579 (2004). 2. M. Romain Gaume， Thesis de doctorat de l'universite pierre et marie curie-paris VI.)硅酸钪晶体材料的这个优点使其可能成 为一种性质优异的基质材料。但是，目前采用提拉法生长的掺钕硅酸钪晶体
(Nd^SC2Si05)用作激光增益介质的研究尚未见报道。

发明内容
本发明的目的就在于提供一种掺钕硅酸钪激光晶体及其制备方案，以获得 具有光学质量高，物理化学性能又向的且可用于激光二极管泵浦系统的掺钕硅
酸钪激光晶体材料。
本发明的技术解决方案如下
一种掺钕硅酸钪晶体，其特征在于该晶体的结构式为(NdxSCl.x)2Si05，其 中X为Nd"的掺杂浓度，X的取值范围是0<《0.06。
Nc^+:Sc2Si05晶体属于单斜晶系，空间群为C2/c。其中钕离子作为掺杂离子 取代钪离子的晶格位置。
上述掺钕硅酸钪激光晶体的制备方法，该方法包括下列步骤
(1 )选定x的取值，根据Nd:SSO的分子式Nd2xSc2(1.x)Si05，按各组分的 摩尔量称取相应量的纯度高于99.99。/。的Nd203、 Sc203、 SK)2原料。制备过程的
化学反应方程式如下
xNd203+(l-x)Sc203+Si02—(NdxSd'x)2Si。5;
(2) 将上述称取的各组分原料充分混合成均匀的混合粉料；在l-5Gpa的 压力下压成圆柱状或其他形状的料块，料块尺寸略小于坩埚的直径，在高于 120(TC的温度下烧结24小时以上；
(3) 将烧好的料块装进坩埚，加热直至使其完全熔化； 上述过程优选坩埚为铱金坩埚，加热方式优选中频感应加热。
(4) 采用硅酸钪晶体作籽晶进行提拉法生长，Nd:SSO晶体的生长温度为 1S50 196(TC，在惰性气体保护下，晶体经过下种、縮颈、放肩、等径、收尾， 降温等程序后，生长结束；
上述过程中优选的硅酸钪籽晶为b轴，惰性气体为N2或Ar。 上述过程屮提拉法优选控制晶体生长速度和晶转速度分别为l-20mm/hr和 10-50rpm，优选的降温速率为20-150°C/h。
将生长出的Nd^SC2Si05晶体进行分凝系数、吸收谱(附图1)、荧光谱(附
图2)及荧光寿命(图3)等测试分析。以掺杂lat.。/。Nd:Sc2Si05为例，结果表明 其分凝系数为0.1598，也即得到的晶体中钕离子的实际浓度为0.1598沈％;其吸 收峰在589、 748和808nm处，其中吸收峰808nm处的半高峰(FWHM)为4nm， 吸收截面为7.48xl(T21cm2,适合于二极管泵浦，且宽的半高宽有利于晶体吸收 泵浦光，提高泵浦效率；在其荧光光谱屮发射较强的荧光峰为915、 1060和 1365nm。 1060nm处的半峰宽为4nm，发射截面为5.88*1 (r19cm2， 1080nm处的 半峰宽为3nm，发射截面为8.32*10—19cm2;荧光寿命为223ps。因为该晶体具有 较长的荧光寿命，晶体能在上能级积累更多的粒子，增加了储能，有利于提高 激光器的输出功率和输出能量。因此，本发明Nd:Sc2Si05晶体是一种高转换效
率、高光学质量且有实际应用前景的激光晶体。
综上所述，本发明的NcP:Sc2Si05晶体可用提拉法生长得到，在温场、生长 速率等条件控制好的情况下，生长速度快、尺寸大、光学质量好。该晶体具有 吸收带宽宽、吸收和发射截面大、荧光寿命长等一系列优点，可适于激光二极 管泵浦获得激光输出，是一种好的激光晶体。有望得到实际应用。


图1 lat.%Nd:Sc2Si05晶体的室温吸收光谱 图2 lat.%Nd:Sc2Si05晶体的室温荧光光谱 图3 lat%Nd:Sc2Si05晶体的荧光寿命
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的原料配比中取X^at.。/。。将Nd203、 SC203和Si02高纯原料氧化
物粉末在空气中适当的预干燥，然后按化学计量比严格称量，并充分混匀，加 压成直径略小于干果内径的块体，在空气中120(TC以上高温预烧36小时后装入 铱坩埚开始生长晶体。晶体生长方向为<010>，晶体生长速率和晶转速率分别为 3mm/h和20rpm，生长气氛为N2保护气氛。最初的固液界面生长线凸向溶体， 所以断层和杂质得以减少，这以后生长界限变得平坦。为防止晶体开裂，生长 接束后以50。C/h速率降温至室温。从炉中取出的晶体毛坯为粉红色，这是钕离 子的特征颜色。测得其吸收光谱见附图1，荧光光谱见附图2。吸收峰808nm处 的半峰宽(FWHM)为7nm，吸收截面为7.48*10—19cm2， 1060nm处的半峰宽为 4nm，发射截面8.32"0"cm2，晶体荧光寿命为223ps。
实施例2
本实施例的原料配比中取x=0.1at.%。将Nd203、 SC203和Si02高纯原料氧 化物粉末在空气中适当的预干燥，然后按化学计量比严格称量，并充分混匀， 加压成直径略小于干果内径的块体，在空气中1200'C以上高温预烧24小时后装 入铱坩埚开始生长晶体。晶体生长方向为<010>，晶体生长速率和晶转速率分别 为5mm/h和15rpm，生长气氛为Ar保护气氛。最初的固液界面生长线凸向溶体，
所以断层和杂质得以减少，这以后生长界限变得平坦。为防止晶体开裂，生长
接束后以100。C/h速率降温至室温。得到与实施例1性能相近的掺钕硅酸钪激光晶体。
实施例3
本实施例的原料配比中取x二8at.。/。。将Nd203、 Sc203和Si02高纯原料氧化 物粉末在空气中适当的预干燥，然后按化学计量比严格称量，并充分混匀，加 压成直径略小于干果内径的块体，在空气中120(TC以上高温预烧15小时后装入 铱坩埚开始生长晶体。晶体生长方向为<010>，晶体生长速率和晶转速率分别为 lmm/h禾P 30rpm，生长气氛为Ns保护气氛。最初的固液界面生长线凸向溶体， 所以断层和杂质得以减少，这以后生长界限变得平坦。为防止晶体开裂，生长 接束后以40。C/h速率降温至室温。得到与实施例1性能相近的掺钕硅酸钪激光 晶体。
权利要求
1、一种掺钕硅酸钪激光晶体，特征在于其化学式为Nd2xSc2(1-x)SiO5，其中x为Nd3+的掺杂浓度，0<x≤0.06。
2、 按权利要求1所述的一种掺钕硅酸钪激光晶体的制备方法，特征在于包 括下列步骤-(1) 按化学式称取纯度高于99.99。/。的Nd203、 Sc203、 Si02原料；(2) 将原料混合均匀，压成料块在高于120(TC的温度下烧结24小时以上；(3) 将烧好的料块装进坩埚，加热直至使其完全熔化；(4) 采用硅酸钪晶体作籽晶进行提拉法生长，在惰性气氛下控制生长温度 为1850~1960°C，经过下种、縮颈、放肩、等径、收尾，降温后，生长结束。
3、 按权利要求2所述的掺钕硅酸钪激光晶体的制备方法，特征在于所述的 硅酸钪籽晶为b轴，惰性气氛为N2或Ar。
4、 按权利要求2或3所述的掺钕硅酸钪激光晶体的制备方法，特征在于步 骤(3)中所述的坩埚为铱金坩埚。
5、 按权利要求2或3所述的掺钕硅酸钪激光晶体的制备方法，特征在于步 骤(3)中所述的加热方式为中频感应加热。
6、 按权利要求2所述的掺钕硅酸钪激光晶体的制备方法，特征在于步骤(4) 中控制晶体生长速度为l-20mm/hr，晶转速度为10-50rpm。
7、 按权利要求2所述的掺钕硅酸钪激光晶体的制备方法，特征在于步骤(4) 中控制晶体降温速率为20-150°C/h。
全文摘要
本发明涉及一种掺钕硅酸钪激光晶体及其制备方法，化学式为Nd_2xSc_2(1-x)SiO₅，其中0＜x≤0.06。本发明按化学式称取纯度高于99.99％的Nd₂O₃、Sc₂O₃、SiO₂原料；将原料混合均匀，压成料块在高于1200℃的温度下烧结24小时以上；将烧好的料块装进坩埚，加热直至使其完全熔化；采用硅酸钪晶体作籽晶进行提拉法生长得到。本发明晶体属C2/c空间群，密度为3.5g/cm³。光谱计算表明在808nm处有强的吸收峰，吸收系数为1.28cm^-1，半峰宽为7nm，吸收截面为7.48×10^-21cm²，适合于激光二极管(LD)泵浦。另外，在波长1060nm有强的荧光发射，发射截面为5.88×10^-19cm²，半峰宽4nm；波长1080nm处的发射截面为8.32×10^-19cm²。本发明热力学性能良好，用该晶体制成的固体激光器可用于光谱学、生物医学等诸多领域中。
文档编号C30B15/04GK101387010SQ200810039798
公开日2009年3月18日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者军 徐, 苏良碧, 郑丽和 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所