专利名称：：大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种激光晶体，具体涉及一种大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体及其制备方法，属于晶体生长领域。
背景技术：
：YbS+激光材料在900-980nm范围具有较强的吸收，能与高效的InGaAs激光二极管(波长为900-1100nm)有效地耦合；加之它能级简单，抽运波长与振荡波长相近，量子效率高，十分有利于在1000nm附近实现超快高功率激光输出。此外，掺Y^+激光晶体在惯性约束核聚变以及通信、军事上的巨大应用潜力，更将掺Yb,敫光晶体的研究推向了高潮。一般而言，Yb离子占据基质中低对称性的格位非常有利于Yb宽调谐和吸收。至今，已发现适宜于宽调谐超快激光输出的掺Yb激光材料主要有Yb:Y3Al5012(Yb:YAG)，Yb:Y2Si05(Yb:YSO)，Yb:Gd2SiOs(Yb:GSO)和Yb:CaF2等材料(参见Opt.Lett,1995,Vol.20，No.23，p.2402-2404;Opt.Lett.,2006,Vol.31，No.lO,p.1555-1557;Opt.Express,2007,Vol.15，No.5,p.2354-2359;CommercialandBiomedicalApplicationsofUltrafastLasersV.EditedbyNeev,Joseph;Schaffer，ChristopherB.ProceedingsoftheSPIE,2005,Vol.5714，p.l86-194)。这些材料的主要光谱等物理性能如下表1所示表l各种掺Yb,敫光晶体的特性<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>表1列出了几种已经实现飞秒激光输出的掺Yb"敫光晶体的特性。从表1中可知，Yb:CaF2具有相对较宽的发射半高宽(约80nm)，十分有利于超快激光输出；但是该晶体的热导率相对较低，这对高功率激光运转十分不利。Yb:YAG和Yb:GSO晶体的热导率相对较高(约5.2-5.3W/mK)，但Yb:YAG发射带宽相对较窄；Yb:GSO晶体的发射截面也较小。另夕卜，表l中所列的Yb:GSO熔点较高且具解理性质，制备不易。综上所述，在先技术中使用的宽调谐超快高功率Yb掺杂激光材料的综合性能欠佳(宽发射谱带和高热导率不能同时兼有，而且部分晶体的制备较难)，还远不能满足日益发展的LD泵浦的全固态宽调谐高功率超快激光应用的需要。
发明内容本发明的目的是克服在先技术的缺点，提供一种兼有宽发射半高宽和较高热导率、容易制备的Yb掺杂激光晶体材料(YbxSCl—x)2Si05(0.001^^0.2)，(简称为Yb:SSO)。稀土硅酸盐介质Sc2Si05(SSO)熔点约为192(TC，属于单斜C2/c空间群结构，在C^空间结构上稀土阳离子S^+占据两个结晶学格位，掺杂离子如Yb"将取代Sc"所占据的格位。Yb:SSO单晶生长温度要比GSO晶体低，约在1920°C左右，故易于生长尺寸大、高光学质量的晶体。本发明所述的Yb:SSO激光晶体具有C^单斜结构，随着Yb浓度的增加，(YbxSCl—x)2Si05(0.001Sx^).2)单晶的晶格常数(a，b，c和(3)也随着变化，其中U.049(4)腿^aSl3.677(8)nm，5.484(8>imSbS7.906(6)nm，8.468(8)腦三cS10.972(4)膽，91.19°^(3^105.0°。本发明所述的Yb:SS0单晶的单斜C2,e空间群结构的无序度进一步加大等优点，使掺入其中的Yb离子的吸收和发射峰非均匀加宽，有利于实现宽带可调谐发射。本发明所述的Yb:SSO激光晶体材料的吸收和发射光谱特征见图例1。(1)、吸收波长范围在850—1100nm，其中包含三个主要吸收峰912nm，956nm和976腿，可有效与900—980nm范围的LD进行耦合；(2)、发射谱带在960nm一1150nm，其对应的几个发射峰分别为1004nm、1036nm和1062nm，发射截面大。本发明所述的Yb:SSO晶体在1004nm、1036nm和1062nm处具有较高的发射截面(约为2.5—4.5xl0-2Qcm2)，因此，本发明所述的Yb:SSO单晶可以在上述三个激光波长处产生激光振荡。本发明所述的Yb:SSO单晶特别适于在980nmLD泵浦，有利于实现长波长(1062nm)的高功率激光输出。本发明所述的Yb:SSO单晶(YbxSCl-x)2Si05(0.001^^0.2)的制备方法按下列工艺步骤进行-(1)按Yb:SSO的分子式(YbxScn)2Si05(0.001^^0.2)中对应各组分的摩尔量称取一定量的干燥高纯度(大于99.99%)的Yb203，Sc203和Si02原料；(2)将上述称取各组分原料充分混合成均匀的混合粉料；(3)将混合均匀原料，在l-5Gpa的压力下将混合的粉料压成圆柱状或其他形状的料块(直径略小于坩埚容器直径)，在1200。C-1600。C的温度下进行烧结12-30小时；(4)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柑埚，加热方式优选中频感应加热。(5)采用硅酸镥或镱硅酸镥(Yb:LSO)或硅酸钪或镱硅酸钪(Yb:SSO)为籽晶，控制生长温度为1900~2150。C进行提拉法生长，在惰性气体保护下，晶体经过下种、縮径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束；上述过程中优选的籽晶方向为b轴，惰性气体为N2或Ar。上述过程优选的晶体生长速度为0.5-5mm/hr，晶体转速为10-50rpm。本发明所述的Yb:SSO单晶和在先技术中的宽发射超快Yb激光材料相比，具有l)较宽发射谱带960—1150nm;2)晶体生长容易，晶体尺寸大，物化性能稳定等优点。3)晶体尺寸较大。本发明是目前综合性能最好的一种宽调谐Yb激光材料，有望在可调谐高功率超快等激光
技术领域：
进行广泛应用。图1是本发明所述的Yb:SSO激光晶体的吸收光谱和发射光谱特征图。具体实施例方式下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不仅限于下述实施例。实施例1制备(Yb,iSc。.999)2Si05激光晶体按照上述工艺步骤<1>以摩尔比为0.001:0.999:1的比率称取纯度为99.999%的Yb2Cb，SC203和Si02原料；按上述工艺步骤<2>将上述称取的组分充分混合成均匀的粉料；按上述工艺步骤<3>将混合均匀原料，在lGpa的压力下将混合的粉料压成圆柱状的料饼(料饼直径略小于坩埚容器直径)，在约1200°C的温度下进行烧结30小时；按上述工艺步骤<4>将烧好的料块装进炉膛中的Ir金坩埚内，采用中频感应加热Ir坩埚内的原料使其完全熔化；按工艺步骤<5>采用b轴的Yb丄U2SiOs(Yb丄SO)晶体籽晶进行提拉法生长，(Ybo观SCo,999)2Si05晶体的生长温度约为1900°C,生长气氛为N2气体，晶体生长速度为lmm/hr，晶体转速约为20RPM。晶体经过下种、縮径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，晶体尺寸约为(D20x30mm;按上述工艺步骤〈6〉将(Ybo.o(uLu,9)2Si05激光晶体按激光的要求进行切割加工和镀膜。该(Ybo.。(nSC().，)2Si05激光晶体尺寸较大、光学质量高，光谱性能与说明书图1相似，具有宽调谐(960—1150nm)，可以应用于LD泵浦的宽调谐超快激光
技术领域：
中。实施例2制备(Yb。.(BSC().97)2Si05激光晶体按照上述工艺步骤<1〉以摩尔比为0.03:0.97:1的比率称取纯度为99.999%的Yb203，Sc203和Si02原料；按上述工艺步骤<2>将上述称取的组分充分混合成均匀的粉料；按上述工艺步骤<3>将混合均匀原料，在3Gpa的压力下将混合的粉料压成圆柱状的料饼(料饼直径略小于坩埚容器直径)，在约1400°C的温度下进行烧结20小时；按上述工艺步骤<4>将烧好的料块装进炉膛中的Ir金坩埚内，采用中频感应加热Ir坩埚内的原料使其完全熔化；按工艺步骤<5>采用b轴的Yb:Sc2Si05(Yb:SSO)晶体籽晶进行提拉法生长，(Yb^Sc^hSiOs晶体的生长温度约为1900°C，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.5mm/hr，晶体转速约为30RPM。晶体经过下种、縮径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，晶体尺寸约为0)30x40mm;按上述工艺步骤<6^f(Yb,Sc。.97)2Si05激光晶体按激光的要求进行切割加工和镀膜。该(Yb(^SCo.9》2Si05激光晶体尺寸较大、光学质量高，光谱性能与说明书图1相似，具有宽调谐(960—1150nm)，可以应用于LD泵浦的宽调谐超快激光
技术领域：
中。实施例3制备(Yb,Sc。.95)2Si05激光晶体按照上述实施例i中的工艺步骤<1>以摩尔比为0.05:0.95:1的比率称取纯度为99.999%的Yb203，Sc20s和Si02原料；按上述工艺步骤<2>将上述称取的组分充分混合成均匀的粉料；按上述工艺步骤<3>将混合均匀原料，在4Gpa的压力下将混合的粉料压成圆柱状的料饼(料饼直径略小于坩埚容器直径)，在1500°C的温度下进行烧结15小时；按上述工艺步骤<4>将烧好的料块装进炉膛中的Ir金埘埚内，采用中频感应加热Ir坩埚内的原料使其完全熔化；按工艺步骤<5>采用b轴Yb:SSO籽晶进行提拉法生长，(Yb。.Q5ScQ.95)2Si05混晶的生长温度约为2000。C，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.8mm/hr，晶体转速约为30RPM。晶体经过下种、縮径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，最后获得cD35x50mm的Yb:SSO激光晶体；按上述实施例1中工艺步骤<6>将(Yb,SCo.95)2Si05晶体进行加工。最后获得的(Yb。.。sSc。.95)2Si05激光晶体尺寸较大，光学质量高，光谱性能与说明书图l相似，具有宽调谐(960—1150nm)，可以应用于LD泵浦的宽调谐超快激光
技术领域：
中。实施例4制备(Ybo.5SCo.5)2SiOs激光晶体按照上述工艺步骤<1>以摩尔比为0.5:0.5:1的比率称取纯度为99.999%的Yb203，Sc203和Si02原料；按上述工艺步骤<2>将上述称取的组分充分混合成均匀的粉料；按上述工艺步骤<3〉将混合均匀原料，在5Gpa的压力下将混合的粉料压成圆柱状的料饼(料饼直径略小于坩埚容器直径)，在1600°C的温度下进行烧结12小时;按上述工艺步骤<4>将烧好的料块装进炉膛中的Ir金坩埚内，采用中频感应加热Ir坩埚内的原料使其完全熔化；按工艺步骤<5>采用b轴的Yb:Sc2SiOs(Yb:SSO)晶体籽晶进行提拉法生长，(Yba5ScQ.5)2Si05晶体的生长温度约为1卯0。C，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为2.0mm/hr，晶体转速约为40RPM。晶体经过下种、縮径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，晶体尺寸约为(D30x30mm;按上述工艺步骤<6^#(YbQ.5ScQ.5)2Si05激光晶体按激光的要求进行切割加工和镀膜。该(Yb。.5Sca5)2SiO激光晶体尺寸较大、光学质量高，光谱性能与说明书图1相似，具有宽调谐(996—1100nm)，可以应用于LD泵浦的宽调谐超快激光
技术领域：
中。权利要求1、大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体，其特征在于其化学式为YbxSc1-x)2SiO5，其中0.001≤x≤0.2。2、按权利要求1所述的大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体的制备方法，特征在于包括下列步骤(1)按化学式称取纯度大于99.99%的Yb203，Sc203和Si02原料；(2)将原料混合均匀的混合粉料；压成料块在1200。C-1600。C的温度烧结12-30小时；(3)将烧好的料块装进坩埚，加热直至使其完全熔化；(4)采用硅酸镥或镱硅酸镥或硅酸钪或镱硅酸钪为籽晶，控制生长温度为1900215(TC进行提拉法生长，在惰性气体保护下，晶体经过下种、缩径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束。3、按权利要求2所述的大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体的制备方法，特征在于所述的籽晶为b轴，惰性气氛为N2或Ar。4、按权利要求2或3所述的大尺寸掺镱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所述的大尺寸掺镱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所述的大尺寸掺镱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0.5-5mm/hr，晶体转速为10-50rpm。全文摘要本发明涉及一种激光晶体，具体涉及一种大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体及其制备方法，属于晶体生长领域。本发明的大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体，其化学式为Yb<sub>x</sub>Sc<sub>1-x</sub>)<sub>2</sub>SiO<sub>5</sub>，其中0.001≤x≤0.2，属于单斜C<sub>2/c</sub>空间群结构，稀土阳离子Sc<sup>3+</sup>占据两个结晶学格位。掺杂离子Yb<sup>3+</sup>将取代Sc<sup>3+</sup>所占据的格位，使其吸收和发射峰非均匀加宽，有利于实现宽带可调谐发射。Yb:SSO晶体在1004nm、1036nm和1062nm处具有较高的发射截面(约为2.5-4.5×10<sup>-20</sup>cm<sup>2</sup>)，可以在上述三个激光波长处产生激光振荡。本发明晶体有较大尺寸、晶体光学质量高，及具有高热导率、宽发射谱带和双格位特点，可以应用于低阈值宽调谐超快激光
技术领域：
中。文档编号C30B15/00GK101319398SQ200810039799公开日2008年12月10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