专利名称：掺镱焦硅酸镥激光晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及宽调谐激光晶体及晶体生长，特别是一种新型的掺镱焦硅酸镥激光晶体及其制备方法。
背景技术：
Yb3+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，这些优点十分有利于在1000nm附近实现超快高功率激光输出。随着泵浦源InGaAs二极管的输出功率和其稳定性升高且价格下降以及人们对激光器的高效、高功率、小型化、集成化的追求，适应这一波段的Yb3+掺杂的激光晶体日益受到人们的重视；尤其是掺Yb3+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Yb3+激光晶体的研究推向了高潮。Yb3+离子在近红外光谱区域简单的二能级结构使其具有非常低的量子缺陷(＜10％)，从而降低激光运作过程中的热载荷，避免上转换和激发态吸收等不利效应。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:Sr3Y(BO3)3(Yb:BOYS)，Yb:SrY4(SiO4)3(Yb:SYS)，Yb:Y3Al5O12(Yb:YAG)和Yb:CaF2等材料(参见Opt.Lett.，2002，Vol.27，No.3，p.197-199；Opt.Express，2004，Vol.12，No.20，P5005-5012；IEEE Photo Technol.Lett.，1995，Vol7，No.10，P1137-1138；Opt.Lett.，2004，Vol.29，No.23，p.2767-2769)。这些材料的主要光谱等物理性能如下表1所示。表1列出了几种已经实现飞秒激光输出的掺Yb3+激光晶体的特性。从表1中可知Yb:SYS晶体具有相对较宽的发射半高宽(约73nm)，较高的发射截面，十分有利于超快激光输出(已有LD泵浦70fs/156mW输出的报道，参见Opt.Express，2004，Vol.12，No.20，P5005-5012)，但是该晶体的热导率相对较低(只有2.85W/mK//c)，这对高功率激光运转十分不利。而且，Yb:SYS晶体生长温度高、组分多，生长优质单晶难度大，因此极大地限制了该晶体的应用。和Yb:SYS晶体相比，表1中所列的Yb:YAG和Yb:CaF2晶体的热导率相对较高(约4-5.3W/mK)，但是Yb:CaF2发射半高宽相对较窄；Yb:YAG晶体的发射截面也比较小。另外，表1中所列的Yb:LSO熔点较高，制备不容易；Yb:BOYS虽然制备容易，但它热导率低、发射截面小，很难在高功率超快激光方面有所发展。
表1
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上述在先技术的缺点，提供一种掺镱焦硅酸镥激光晶体及其制备方法，该掺镱焦硅酸镥激光晶体兼有宽发射半高宽和较高热导率、容易制备的特点。
本发明的技术解决方案如下一种掺镱焦硅酸镥激光晶体，该晶体的分子式为(YbxLu1-x)2Si2O7，其中x的取值范围为0.001≤x≤0.5。
所述的掺镱焦硅酸镥激光晶体的制备方法，包括下列步骤<1>按掺镱焦硅酸镥激光晶体的分子式(YbxLu1-x)2Si2O7并在0.001≤x≤0.5中选定x值，称取一定量的干燥纯度大于99.995％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料，原料组分的摩尔比为Yb2O3∶Lu2O3∶SiO2＝x∶(1-x)∶1；<2>将所称取的各组分原料充分混合成均匀的混合粉料；<3>将所述的混合原料，在1-5Gpa的压力下压成圆柱状的料饼，料饼直径小于坩埚容器直径，在1400℃-1600℃的温度下进行烧结15-30小时，形成料块；<4>将烧好的料块装进Ir金坩埚内并置于炉膛中，采用中频感应加热Ir坩埚内的原料使其完全熔化；<5>采用a轴或b轴的掺铈焦硅酸镥晶体作籽晶，在掺镱焦硅酸镥晶体的熔点下，进行提拉法生长，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.0-2.0mm/hr，晶体转速约为15-40RPM，晶体经过下种、缩径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束。
本发明的掺镱焦硅酸镥激光晶体的结构式为(YbxLu1-x)2Si2O7(0.001≤x≤0.5)，(简称为Yb:LPS)。稀土偏硅酸盐介质Lu2Si2O7(简称为LPS)的熔点约为1900℃，属于单斜C2/m空间群结构，在C2/m空间结构上稀土阳离子Lu3+占据一个结晶学格位，与氧形成扭曲的[LuO6]八面体，共边相连成平行的片并与分离的[Si2O7]6-双四面体相间堆叠成网络结构，而掺杂离子如Yb3+将进入[LuO6]八面体并取代Lu3+所占据的格位。Yb:LPS单晶生长温度要比LSO晶体低，约在1950～2000℃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:LPS激光晶体具有C2/m单斜结构，随着Yb浓度的增加，(YbxLu1-x)2Si2O7(0.001≤x≤0.5)单晶的晶格常数(a，b，c和β)也随着变化，其中0.549(4)nm≤a≤0.677(8)nm，0.884(8)nm≤b≤0.106(6)nm，0.468(8)nm≤c≤0.472(4)nm，91.19°≤β≤102.0°。本发明所述的Yb:LPS单晶的单斜C2/m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:LPS激光晶体材料的吸收和发射光谱特征分别见图例1和图例2。(1)、吸收波长范围在900-980nm，其中包含三个主要吸收峰905nm，950nm和970nm，可有效与900-980nm范围的LD进行耦合；(2)、发射谱带在996nm-1100nm，其对应的几个发射峰分别为996nm、1032nm和1069nm，发射截面大。
本发明所述的Yb:LPS激光晶体具有996nm-1100nm波长输出的激光调谐范围，从荧光发射谱可以从理论上推算Yb:LPS晶体可以得到34.7fs的激光输出；因此YbLPS单晶可应用于高功率超快激光技术领域中。
本发明所述的Yb:LPS晶体在996nm、1032nm和1069nm处具有较高的发射截面(约为0.2-0.9×10-20cm2)，因此，本发明所述的Yb:LPS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:LPS单晶特别适于在940nmLD泵浦。这种运转模式克服了由于通常Yb的泵浦波长和发射波长差小而造成难以镀膜的困难，有利于实现长波长(1069nm)的高功率激光输出。
本发明所述的Yb:LPS单晶和在先技术中的宽发射超快Yb激光材料相比，具有1)较宽发射谱带996-1100nm；2)晶体生长容易，晶体尺寸大，物化性能稳定等优点。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:LPS激光晶体的吸收光谱特征图。
图2是本发明所述的Yb:LPS激光晶体的发射光谱图。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明所述的Yb:LPS单晶的制备方法按下列工艺步骤进行<1>按Yb:LPS的分子式(YbxLu1-x)2Si2O7(0.001≤x≤0.5)中对应各组分的摩尔量称取一定量的干燥高纯度(大于99.995％)的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料，原料组分的具体摩尔配比如下所示Yb2O3∶Lu2O3∶SiO2＝x∶(1-x)∶1(其中0.001≤x≤0.5)；<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1-5Gpa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1400℃-1600℃的温度下进行烧结15-30小时；<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；<5>可分别采用a、b轴的Ce:Lu2Si2O7(Ce:LPS)晶体籽晶，在Yb:LPS单晶体约为2000℃左右的熔点下，进行提拉法生长，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.0-2.0mm/hr，晶体转速约为15-40RPM。晶体经过下种、缩径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束。
实施例1制备(Yb0.001Lu0.999)2Si2O7激光晶体按照上述工艺步骤<1>以摩尔比为0.001∶0.999∶2的比率称取纯度为99.999％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2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1Gpa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℃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a轴的Ce:Lu2Si2O7(Ce:LPS)晶体籽晶进行提拉法生长，Yb0.001Lu0.999)2Si2O7晶体的生长温度约为2000℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.5mm/hr，晶体转速约为20RPM。晶体经过下种、缩径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，晶体尺寸约为Φ30×50mm；按上述工艺步骤<6>将(Yb0.001Lu0.999)2Si2O7激光晶体按激光的要求进行切割加工和镀膜。经实验测试该(Yb0.001Lu0.999)2Si2O7激光晶体尺寸较大，光学质量高，光谱性能与图1和图2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。该晶体兼有宽发射半高宽和较高热导率、容易制备的特点。
实施例2制备(Yb0.03Lu0.97)2Si2O7激光晶体按照上述工艺步骤<1>以摩尔比为0.03∶0.97∶2的比率称取纯度为99.999％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2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1500℃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a轴的Ce:Lu2Si2O7(Ce:LPS)晶体籽晶进行提拉法生长，(Yb0.03Lu0.97)2Si2O7晶体的生长温度约为2000℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.0mm/hr，晶体转速约为40RPM。晶体经过下种、缩径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，晶体尺寸约为Φ30×30mm；按上述工艺步骤<6>将(Yb0.03Lu0.97)2Si2O7激光晶体按激光的要求进行切割加工和镀膜。
该(Yb0.03Lu0.97)2Si2O7激光晶体尺寸较大，光学质量高，光谱性能与说明书图1和图2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。
实施例3制备(Yb0.05Lu0.95)2Si2O7激光晶体按照上述实施例1中的工艺步骤<1>以摩尔比为0.05∶0.95∶2的比率称取纯度为99.999％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2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1600℃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Ce:LPS籽晶进行提拉法生长，(Yb0.05Lu0.95)2Si2O7混晶的生长温度约为2000℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.2mm/hr，晶体转速约为30RPM。晶体经过下种、缩径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，最后获得Φ30×30mm的Yb:LPS激光晶体；按上述实施例1中工艺步骤<6>将(Yb0.05Lu0.95)2Si2O7晶体进行加工。最后获得的(Yb0.05Lu0.95)2Si2O7激光晶体尺寸较大，光学质量高，光谱性能与说明书图1和图2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。
实施例4制备(Yb0.5Lu0.5)2Si2O7激光晶体按照上述工艺步骤<1>以摩尔比为0.5∶0.5∶2的比率称取纯度为99.999％的Yb2O3，Lu2O3和SiO2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℃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a轴的Ce:Lu2Si2O7(Ce:LPS)晶体籽晶进行提拉法生长，(Yb0.5Lu0.5)2Si2O7晶体的生长温度约为2000℃，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为2.0mm/hr，晶体转速约为15RPM。晶体经过下种、缩径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束，晶体尺寸约为Φ30×30mm；按上述工艺步骤<6>将(Yb0.5Lu0.5)2Si2O7激光晶体按激光的要求进行切割加工和镀膜。
该(Yb0.5Lu0.5)2Si2O7激光晶体尺寸较大，光学质量高，光谱性能与说明书图1和图2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
权利要求
1.一种掺镱焦硅酸镥激光晶体，其特征在于该晶体的分子式为(YbxLu1-x)2Si2O7，其中x的取值范围为0.001≤x≤0.5。
2.权利要求1所述的掺镱焦硅酸镥激光晶体的制备方法，特征在于包括下列步骤<1>按掺镱焦硅酸镥激光晶体的分子式(YbxLu1-x)2Si2O7并在(0.001≤x≤0.5)中选定x值，称取一定量的干燥高纯度(大于99.995％)的Yb2O3，Lu2O3和SiO2原料，原料组分的具体摩尔比如下所示Yb2O3∶Lu2O3∶SiO2＝x∶(1-x)∶1；<2>将上述称取的各组分原料充分混合成均匀的混合粉料；<3>将所述的混合原料，在1-5Gpa的压力下压成圆柱状的料饼，料饼直径小于坩埚容器直径，在1400℃-1600℃的温度下进行烧结15-30小时，形成料块；<4>将烧好的料块装进Ir金坩埚内并置于炉膛中，采用中频感应加热Ir坩埚内的原料使其完全熔化；<5>采用a轴或b轴的掺铈焦硅酸镥晶体作籽晶，在掺镱焦硅酸镥晶体的熔点下，进行提拉法生长，生长气氛为N2气体，晶体生长速度为1.0-2.0mm/hr，晶体转速约为15-40RPM，晶体经过下种、缩径、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束。
全文摘要
一种掺镱焦硅酸镥激光晶体，该晶体的分子式为(Yb
文档编号C30B15/00GK1896342SQ200610027760
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月19日 优先权日2006年6月19日
发明者赵广军, 徐军, 郑丽和, 严成锋, 苏良碧 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所