专利名称：掺铬钼酸铝钾可调谐激光晶体的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子功能材料技术领域，尤其是涉及一种作为可调谐固态激光器中的工作物质的激光晶体材料。
背景技术：
所谓可调谐激光是指这样一种效应由激光或泵浦灯激发掺入固体基质中的激活离子，以产生激光输出，采用棱镜调谐法、F-P标准具调谐法、光栅调谐法、滤光片调谐法和分布反馈系统调谐法等方法可获得可调谐的激光输出。
1963年L.F.Johnson等人采用闪光灯泵浦，在掺Ni2+的MgF2晶体中实现了第一个固态可调谐激光运转(L.F.Johnson R.E.Dietz & H.J.Guggenheim，J.Phys.Rev.Lett.，11(1963)318)。随后出现了很多可调谐激光晶体，如Ti3+:Al2O3、Cr3+:Mg2SiO4、Cr3+:LiSrAlF6、Cr3+:BeAl2O4等，但由于各种原因，许多可调谐激光晶体只限于作实验室工具，无法推向工业应用。目前研究最多的、已进入应用领域的可调谐激光晶体是Cr3+:BeAl2O4(紫翠宝石)、Ti3+:Al2O3(掺钛蓝宝石)和Cr3+:Li CaAlF6、Cr3+:LiSrAlF6，但它们也都存在一些难以避免的缺陷，使得它们的应用范围受到限制。
Cr3+:BeAl2O4(紫翠宝石)晶体的主要缺点是调谐范围在700～800nm之间，发射截面小(6×10-21cm2)，所需的泵浦阈值高，而且还具有高损伤率和高热透镜效应等缺点，另外由于BeO剧毒，也给生长带来很大困难。
Ti3+:Al2O3晶体的主要缺点是该晶体中Ti3+-Ti4+离子对的出现，使得在激光输出波段，即近红外波段出现吸收，影响了其激光性能，而且由于其激光上能级寿命短(只有3.2μs)，需用短脉冲激光、Q开关激光、连续波激光或产生特别短脉冲的闪光灯泵浦，也进一步限制了它的应用。
Cr3+:LiCaAlF6、Cr3+:LiSrAlF6晶体尽管具有调谐范围较宽，发射截面大，所需的泵浦阈值低等诸多优点。但也存在着吸收系数小、LD泵浦的激光效率低等问题。目前国内外都在积极寻找调谐波段更宽、能够直接使用闪光灯和LD泵浦的可调谐激光晶体材料。
发明内容
本发明的目的就在于研制一种新的能够直接使用闪光灯和LD泵浦的、宽调谐的可调谐激光晶体材料掺铬钼酸铝钾。
掺铬钼酸铝钾Cr3+:KAl(MoO4)2属于三方晶系，具有P3ml(D3d3)空间群结构，是一种很好的激光晶体基质材料，铬离子是作为掺杂离子可以很容易的取代铝离子的晶格位置。其掺杂浓度在0.2at％～5at％之间。荧光寿命(τ)为17～60μs，其荧光寿命是铬离子浓度的函数，可根据不同的需要掺入不同浓度的铬离子。实验结果表明其可调谐范围在700～950nm之间，可作为可调谐激光晶体。
我们经过实验找到了生长Cr3+:KAl(MoO4)2晶体的较理想的助熔剂K2Mo3O10，以及最佳的生长条件，并生长出了高质量的晶体Cr3+:KAl(MoO4)2(见实施例1和2)。具体的化学反应式如下K2CO3+Al2O3+4MoO3＝2KAl(MoO4)2+CO2K2CO3+3MoO3＝K2Mo3O10+CO2所用的原料纯度及厂家如下
用熔盐顶部籽晶法生长掺铬钼酸铝钾激光晶体，其主要生长条件如下所用助熔剂为K2Mo3O10，助熔剂总的浓度控制在60～80at％之间，生长温度在650～570℃之间，降温速率为1～5℃/天，晶体转速为5～30rpm。
将生长出的Cr3+:KAl(MoO4)2晶体，在四圆衍射仪上进行了衍射数据的收集，结构分析表明，其属于三方晶系，空间群为P3ml(D3d3)，晶胞参数为a＝5.545(2)，c＝7.070(3)，V＝188.25(8)3，Dc＝3.406g/cm3。采用油浸法测得其折射率为1.74。
将生长出的Cr3+:KAl(MoO4)2晶体，进行吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命等的分析测试。从Cr3+:KAl(MoO4)2晶体的室温下的吸收光谱，可见在400～570nm和580～800nm之间有两个强的吸收谱带，其峰值分别为481nm和669nm，两个吸收带宽均约为150nm，而且可方便用闪光灯和LD进行泵浦，较宽的吸收峰有利于晶体对泵浦光的吸收，提高了输出功率。
从Cr3+:KAl(MoO4)2晶体的室温下的荧光光谱，可见在797nm有很强的荧光发射，其峰宽为700～850nm，其半峰宽为69nm左右，发射截面为4.88×10-20cm2，荧光寿命为32.5μs。可在700～950nm之间进行调谐。
从上所述可见，本发明的掺铬钼酸铝钾可调谐激光晶体，具有能够用熔盐顶部籽晶法非常容易地生长出质量优良的晶体，生长工艺稳定，具有良好的导热性能，有优良的光学特性，原料易得、可调谐激光波段宽、能够直接使用闪光灯和LD泵浦等诸多优点，该晶体可作为一种较好的激光晶体应用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域。
具体实施例方式
实现本发明的实验优选方式如下实施例1以K2Mo3O10为助熔剂生长掺杂浓度为1.0at.％Cr3+的Cr3+:KAl(MoO4)2激光晶体。
生长原料为KAl(MoO4)2∶K2Mo3O10＝1∶2(摩尔比)，掺入1.0at％的Cr3+离子。采用熔盐顶部籽晶法，在φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为640→570℃之间，以2℃/天的降温速率，15转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为35×28×13mm3的高质量的Cr3+:KAl(MoO4)2晶体。经ICP(等离子发射光谱)分析表明晶体中Cr3+离子含量为1.1at％。
实施例2以K2Mo3O10为助熔剂生长掺杂浓度为2.0at.％Cr3+的Cr3+:KAl(MoO4)2激光晶体。
生长原料为KAl(MoO4)2∶K2Mo3O10＝1∶2.2(摩尔比)，掺入2.0at％的Cr3+离子。采用熔盐顶部籽晶法，在φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为650→580℃之间，以3℃/天的降温速率，20转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为30×25×16mm3的高质量的Cr3+:KAl(MoO4)2晶体。经ICP(等离子发射光谱)分析表明晶体中Cr3+离子含量为2.1at％。
权利要求
1.一种掺铬钼酸铝钾可调谐激光晶体，其特征在于该晶体的分子式为Cr3+:KAl(MoO4)2，属于三方晶系，具有P3ml(D3d3)空间群结构，晶胞参数为a＝5.545(2)，c＝7.070(3)，V＝188.25(8)3，Dc＝3.406g/cm3。
2.如权利要求1所述的掺铬钼酸铝钾可调谐激光晶体，其特征在于铬离子是作为掺杂离子，取代铝离子的晶格位置，其掺杂浓度为0.2at％～5at％。
3.如权利要求1所述的掺铬钼酸铝钾可调谐激光晶体，其特征在于作为掺杂离子的铬离子其价态为+3价。
4.如权利要求1所述的掺铬钼酸铝钾可调谐激光晶体，其特征在于该晶体用于可调谐固体激光器中作为工作物质，使用闪光灯或激光二极管(LD)作为泵浦源，可获得宽调谐的激光输出，其可调谐范围在700～950nm。
5.一种权利要求1的掺铬钼酸铝钾可调谐激光晶体的制备方法，其特征在于该晶体采用熔盐顶部籽晶法生长，所用助熔剂为K2Mo3O10，浓度控制在20at～40at％，生长温度在650～570℃，降温速率为1～5℃/天，晶体转速为5～30rpm。
6.一种权利要求1的掺铬钼酸铝钾可调谐激光晶体的用途，其特征在于用该晶体制成的固体激光器可用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域中。
全文摘要
本发明涉及一种可调谐激光晶体掺铬钼酸铝钾晶体及其制备。该晶体采用熔盐顶部籽晶法生长，采用60～80at％K
文档编号C30B11/00GK101063231SQ20061007793
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者王国富, 王国建, 龙西法, 林州斌, 宋明君 申请人:中国科学院福建物质结构研究所