一种掺镝氧化镥可见波段激光晶体及其制备方法与流程

本发明涉及激光晶体，特别是一种掺镝氧化镥可见波段激光晶体及其制备方法，属于荧光材料技术领域，它适合于InGaN激光二极管泵浦。

背景技术：

近年来，可见波段的稀土掺杂激光晶体材料，尤其在黄光波段，广泛地应用于许多技术领域，如医疗、通讯、显微镜和生物医学。为了获得黄光激光，喇曼激光器、倍频半导体激光器等一些方法已经发展起来。然而，这些方法有一些明显的缺点，比如价格昂贵、构造复杂以及非直接的黄光发射。因此，找到一个可以实现直接发射黄光的稀土掺杂激光晶体材料迫在眉睫。

在镧系元素中，三价镝(Dy³⁺)由于其从⁴F_9/2到⁶H_13/2的黄光能级跃迁，使得Dy³⁺离子成为一个发射黄光的潜在稀土离子。许多报道已经对掺镝激光材料黄光波段的激光性能展开了研究，如Dy:LiSrPO₄、Dy:LiGd(MoO₄)₂、Dy:GdVO₄和Dy:LaPO₄。此外，InGaN激光二极管的发展很大程度上提高了掺镝激光材料的发光效率和功率。2012年，由InGaN激光二极管泵浦的Dy:YAG晶体，获得了发射波长为583nm，平均功率为150mW的黄光输出，斜率效率为12％。2014年，采用InGaN激光二极管泵浦的Dy,Tb:LiLuF₄晶体实现了578nm处55mW、斜效率为13.4％的连续激光输出。

近来，氧化镥基质由于具有较高的热导率和热稳定性吸引了大量关注。氧化镥晶体属于立方空间群为Ia3的方铁锰矿结构。然而，由于它的熔点高，对其生长是一个巨大的挑战，因此有关于高光学质量的Lu₂O₃晶体报道较少。到目前为止，许多方法被用来尝试生长Lu₂O₃晶体，例如，热交换法、提拉法、激光加热基座法、布里奇曼法和微下拉法。国内外科学家已经对氧化镥基质掺杂稀土离子的光谱性能开展了大量的研究，如Tm³⁺、Er³⁺和Yb³⁺掺杂的Lu₂O₃晶体；Nd³⁺掺杂的Lu₂O₃透明陶瓷；Tm³⁺、Tb³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺、Er³⁺和Ho³⁺掺杂的Lu₂O₃荧光粉。然而，有关Dy³⁺掺杂Lu₂O₃晶体浮区法制备以及光谱性能的研究并没有相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种掺镝氧化镥可见波段激光晶体及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种掺镝氧化镥可见波段激光晶体，其特征在于，该晶体的化学式为(Dy_xLu_1-x)₂O₃，其中x的取值范围为0.00001～0.3，其晶胞参数为1.0411nm，密度为9.42g/cm³。

上述掺镝氧化镥可见波段激光晶体的制备方法，其特征在于，采用光学浮区法生长，该方法包括以下步骤：

(1)初始原料采用纯度为4N的Dy₂O₃和Lu₂O₃，选定x的取值后，根据掺镝氧化镥激光晶体分子式(Dy_xLu_1-x)₂O₃，按照摩尔比x：(1-x)精确称量，进行配料；

(2)将原料在玛瑙研钵中充分混合均匀后，使用油压机将其压成棒状，油压压力为220MPa，时长3min，然后放入高温退火炉中，1780℃高温烧结24小时；

(3)将料棒取出，装入浮区炉中准备生长，装炉过程使上下料棒处在同一竖直线上；

(4)充入高纯惰性气体作为保护气氛，生长步骤包括：升温化料、对接、缩颈、放肩、等径生长以及收尾，而后缓慢降温至室温，获得掺镝氧化镥单晶。

进一步地，步骤(3)所述的上下料棒尺寸为φ4.5×35mm³。若料棒尺寸过大则不利于生长出质量较好的晶体，若料棒尺寸过小则不利于处理出样品进行光谱测试。

进一步地，步骤(4)所述的高纯惰性气体为氩气。氩气一方面可以保护晶体，另一方面可以调节炉内温场，形成更好的温度梯度。

进一步地，步骤(4)所述的对接是指当上下料棒的末端熔至饱满的圆弧形后进行对接。料棒末端充分熔化，从而有利于提高晶体的结晶质量。

进一步地，步骤(4)所述的缩径是指缩至1.5～2mm。缩径后有利于防止缺陷延伸至晶体中，提高晶体质量。

进一步地，步骤(4)所述的生长步骤中，生长速率是1～2mm/h，转速为8～12rpm。

进一步地，步骤(4)所述的等径指的是直径4mm。等径直径与料棒直径相似，生长晶体较为简单方便，易于操作。

进一步地，步骤(4)所述的收尾是指通过停止上棒拉速并降低功率以减小熔区使晶体的直径变细为约1.5～2mm后拉脱。晶体直径变细后拉脱，有利于避免因应力过大而造成晶体开裂等缺陷。

与现有技术相比，本发明的特点在于：

1.采用浮区法生长出一种高光学质量的掺镝氧化镥激光晶体，可采用InGaN激光二极管泵浦，实现高效的黄光直接输出。

2.本浮区法所使用的浮区炉的加热装置采用氙灯，不仅发热快、效率高、温度控制响应快，而且不需要直接接触晶体，可为晶体生长提供洁净的环境。

附图说明

附图1为光学浮区法装置示意图；

附图2为(Dy_0.03Lu_0.97)₂O₃晶体的X射线粉末衍射图谱；

附图3为(Dy_0.03Lu_0.97)₂O₃晶体的室温吸收系数谱图；

附图4为(Dy_0.03Lu_0.97)₂O₃晶体的室温发射强度光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

将纯度为4N的Dy₂O₃和Lu₂O₃初始粉末按照分子式(Dy_xLu_1-x)₂O₃进行准确称量，其中x＝0.03。将称量好的粉末在玛瑙研钵中混合均匀后，用油压机在220MPa压力下压料3min，将其压成棒状。然后放入高温退火炉中，1780℃高温烧结24小时。将料棒取出，装入浮区炉中准备生长，装炉过程要保证上下料棒处在同一竖直线上。装炉完毕后，充入高纯氩气作为保护气氛，采用氙灯加热，生长步骤包括：升温化料、对接、缩颈、放肩、等径生长以及收尾，按此生长流程严格把控，晶体生长过程中，当上下料棒的末端熔至饱满的圆弧形后进行对接，缩径缩至3mm，生长速率为3mm/h，转速为8～12rpm，等径的直径为4mm，收尾时，通过停止上棒拉速逐渐拉脱。最后降温至室温，获得一根掺镝氧化镥单晶，出现开裂。

实施例2：

将纯度为4N的Dy₂O₃和Lu₂O₃初始粉末按照分子式(Dy_xLu_1-x)₂O₃进行准确称量，其中x＝0.03。将称量好的粉末在玛瑙研钵中混合均匀后，用油压机在220MPa压力下压料3min，将其压成棒状。然后放入高温退火炉中，1780℃高温烧结24小时。将料棒取出，装入浮区炉中准备生长，如图1所示，为光学浮区法装置示意图，包括上转动杆1、上料棒2，石英管3，熔区4，下料棒5，下转动杆6，氙灯7，聚光镜8，上料棒2安装在上转动杆1上，下料棒5安装在下转动杆6，并均置于石英管3内，上料棒2与下料棒5之间形成熔区4，石英管3外设置氙灯7和聚光镜8，装炉过程要保证上下料棒处在同一竖直线上。装炉完毕后，充入高纯氩气作为保护气氛，采用氙灯7加热，生长步骤包括：升温化料、对接、缩颈、放肩、等径生长以及收尾，按此生长流程严格把控，晶体生长过程中，当上下料棒的末端熔至饱满的圆弧形后进行对接，缩径缩至2mm，生长速率为2mm/h，转速为8～12rpm，等径的直径为4mm，收尾时，通过停止上棒拉速并降低功率以减小熔区使晶体的直径变细为2mm后拉脱。最后缓慢降温至室温，获得一根掺镝氧化镥单晶，未开裂，光学质量较好。

参见附图2,它是按此实施例方案生长的(Dy_0.03Lu_0.97)₂O₃晶体样品X射线粉末衍射图谱，没有杂峰出现，表明所获得的晶体为纯相。

参见附图3，它是按此实施例方案生长的(Dy_0.03Lu_0.97)₂O₃晶体样品吸收系数图谱，其中在446nm处的吸收峰，非常适合采用InGaN激光二极管进行泵浦。

参见附图4，它是按此实施例方案生长的(Dy_0.03Lu_0.97)₂O₃晶体样品发射光谱图，在574nm处的黄光发射峰强度明显高于其他发射峰，说明该晶体材料非常有利于黄光输出。

实施例3：

将纯度为4N的Dy₂O₃和Lu₂O₃初始粉末按照分子式(Dy_xLu_1-x)₂O₃进行准确称量，其中x＝0.005。将称量好的粉末在玛瑙研钵中混合均匀后，用油压机在220MPa压力下压料3min，将其压成棒状。然后放入高温退火炉中，1780℃高温烧结24小时。将料棒取出，装入浮区炉中准备生长，装炉过程要保证上下料棒处在同一竖直线上。装炉完毕后，充入高纯氩气作为保护气氛，采用氙灯加热，生长步骤包括：升温化料、对接、缩颈、放肩、等径生长以及收尾，按此生长流程严格把控，晶体生长过程中，当上下料棒的末端熔至饱满的圆弧形后进行对接，缩径缩至1.8mm，生长速率为1.9mm/h，转速为8～12rpm，等径的直径为4mm，收尾时，通过停止上棒拉速并降低功率以减小熔区使晶体的直径变细为1.8mm后拉脱。最后缓慢降温至室温，获得一根掺镝氧化镥单晶，未开裂，光学质量较好。

其结构性能、吸收系数和发射强度图谱与实施例2相似。

实施例4：

将纯度为4N的Dy₂O₃和Lu₂O₃初始粉末按照分子式(Dy_xLu_1-x)₂O₃进行准确称量，其中x＝0.0003。将称量好的粉末在玛瑙研钵中混合均匀后，用油压机在220MPa压力下压料3min，将其压成棒状。然后放入高温退火炉中，1780℃高温烧结24小时。将料棒取出，装入浮区炉中准备生长，装炉过程要保证上下料棒处在同一竖直线上。装炉完毕后，充入高纯氩气作为保护气氛，采用氙灯加热，生长步骤包括：升温化料、对接、缩颈、放肩、等径生长以及收尾，按此生长流程严格把控，晶体生长过程中，当上下料棒的末端熔至饱满的圆弧形后进行对接，缩径缩至2mm，生长速率为1.5mm/h，转速为8～12rpm，等径的直径为4mm，收尾时，通过停止上棒拉速并降低功率以减小熔区使晶体的直径变细为1.6mm后拉脱。最后缓慢降温至室温，获得一根掺镝氧化镥单晶，未开裂，光学质量较好。

其结构性能、吸收系数和发射强度图谱与实施例2相似。

实施例5：

将纯度为4N的Dy₂O₃和Lu₂O₃初始粉末按照分子式(Dy_xLu_1-x)₂O₃进行准确称量，其中x＝0.00001。将称量好的粉末在玛瑙研钵中混合均匀后，用油压机在220MPa压力下压料3min，将其压成棒状。然后放入高温退火炉中，1780℃高温烧结24小时。将料棒取出，装入浮区炉中准备生长，装炉过程要保证上下料棒处在同一竖直线上。装炉完毕后，充入高纯氩气作为保护气氛，采用氙灯加热，生长步骤包括：升温化料、对接、缩颈、放肩、等径生长以及收尾，按此生长流程严格把控，晶体生长过程中，当上下料棒的末端熔至饱满的圆弧形后进行对接，缩径缩至1.6mm，生长速率为1.8mm/h，转速为8～12rpm，等径的直径为4mm，收尾时，通过停止上棒拉速并降低功率以减小熔区使晶体的直径变细为1.5mm后拉脱。最后缓慢降温至室温，获得一根掺镝氧化镥单晶，未开裂，光学质量较好。

其结构性能、吸收系数和发射强度图谱与实施例2相似。

实施例6：

将纯度为4N的Dy₂O₃和Lu₂O₃初始粉末按照分子式(Dy_xLu_1-x)₂O₃进行准确称量，其中x＝0.3。将称量好的粉末在玛瑙研钵中混合均匀后，用油压机在220MPa压力下压料3min，将其压成棒状。然后放入高温退火炉中，1780℃高温烧结24小时。将料棒取出，装入浮区炉中准备生长，装炉过程要保证上下料棒处在同一竖直线上。装炉完毕后，充入高纯氩气作为保护气氛，采用氙灯加热，生长步骤包括：升温化料、对接、缩颈、放肩、等径生长以及收尾，按此生长流程严格把控，晶体生长过程中，当上下料棒的末端熔至饱满的圆弧形后进行对接，缩径缩至1.7mm，生长速率为1.8mm/h，转速为8～12rpm，等径的直径为4mm，收尾时，通过停止上棒拉速并降低功率以减小熔区使晶体的直径变细为1.6mm后拉脱。最后缓慢降温至室温，获得一根掺镝氧化镥单晶，未开裂，光学质量较好。

其结构性能、吸收系数和发射强度图谱与实施例2相似。