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一种掺镱晶体及其生长方法和应用技术

技术编号:15117828 阅读:108 留言:0更新日期:2017-04-09 14:56
本发明专利技术涉及一种掺镱晶体及其生长方法和应用,所述掺镱晶体的分子式为Ca3-3xYb3xRGa3Si2O14,R为Nb离子或Ta离子,Yb离子的掺杂浓度为0.1–50at.%。上述掺镱晶体同时具有激光发射和非线性光学效应,是一类性能优良的自倍频激光晶体。与激光晶体、非线性光学晶体两者组合而成的激光器相比,由上述掺镱晶体制成的自倍频绿光激光器体积更小,结构更加紧凑,生产成本大大降低,同时也简化了加工和装配环节,提高了生产效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种掺镱晶体及其生长方法和应用,属于晶体生长和激光

技术介绍
近年来,可见光激光器因其在在环境、医疗、军事等领域的重要应用受到越来越多人们的关注。目前,要获得可见激光,主要是利用掺Nd3+和Yb3+等离子的激光晶体产生0.9μm、1.06μm、1.3μm波段的激光,再通过KTP等非线性光学晶体进行倍频产生。将激光晶体和KTP晶体通过光胶结合到一起,并在晶体的表面和胶合面镀膜形成激光振荡获得高效率绿光输出,已经实现了商品化。但是,这种同时使用激光工作介质和倍频介质两种晶体材料的激光器在结构上较为复杂,制作工艺步骤多,成本难以简化。如果能将激光发射与非线性倍频这两种光功能合二为一,则可使生产成本大大降低,同时有利于激光器结构的简化和体积的减小,这种材料人们称为自倍频晶体。多年来,人们一直在探索自倍频晶体,掺镱离子的自倍频晶体因其没有另外的4f电子态,因此不存在上转换和其他高激发态的吸收,且能够实现从950-1100nm较宽的发射谱线,是获得更多波长可见激光的一个重要途径。历史上先后有Yb:MgO:LiNbO3、Yb:YCOB、Yb:GdCOB、Yb:YAB等实现了自倍频绿光输出。这些晶体都存在不同的显著缺陷,其中Yb:MgO:LiNbO3的抗光伤阈值较低且具有光折变效应,Yb:YCOB和Yb:GdCOB的激光受激发射截面较小,虽然实现了自倍频绿光输出但目前没有输出功率的报道,而Yb:YAB晶体为非同成分熔融化合物,只能采用高温熔体法生长单晶,生长周期长,难以获得大尺寸高质量晶体,难以满足批量化生产需求。因此,目前能够实际应用的自倍频晶体仍十分有限,探索新的优秀材料一直是晶体材料研究者的不懈追求。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术提供了一种掺镱晶体;本专利技术还提供了上述掺镱晶体的生长方法及应用。本专利技术的技术方案为:一种掺镱晶体,所述掺镱晶体的分子式为Ca3-3xYb3xRGa3Si2O14,R为Nb离子或Ta离子,Yb离子的掺杂浓度为0.1–50at.%。硅酸镓铌钙晶体属于A3BC3D2O14构型,该结构中有A、B、C、D四个阳离子格位,掺入的Yb离子取代钙离子占据A位置,x为掺入Yb离子的原子百分比,晶体中A位置出现一定数量的空位使Yb离子取代Ca离子产生的电荷差保持平衡。上述掺镱晶体同时具有激光发射和非线性光学效应,是一类性能优良的自倍频激光晶体。与激光晶体、非线性光学晶体两者组合而成的激光器相比,由上述掺镱晶体制成的自倍频绿光激光器体积更小,结构更加紧凑,生产成本大大降低,同时也简化了加工和装配环节,提高了生产效率。根据本专利技术优选的,镱离子的掺杂浓度为0.5–15at.%。根据本专利技术优选的,所述Ca3-3xYb3xNbGa3Si2O14晶体的I类相位匹配的切割角为(θ,φ),θ的取值范围为31.0°—41.0°,φ的取值范围为25.0°—35.0°,所述Ca3-3xYb3xNbGa3Si2O14晶体的II类相位匹配的切割角为(θ1,φ1),θ1的取值范围为50.0°—60.0°,φ1的取值范围为(-5)°-5°;所述Ca3-3xYb3xTaGa3Si2O14晶体的I类相位匹配的切割角为(θ2,φ2),θ2的取值范围为30.5°—40.5°,φ2的取值范围为25.0°—35.0°,所述Ca3-3xYb3xTaGa3Si2O14晶体的II类相位匹配的切割角为(θ3,φ3),θ3的取值范围为56.0°—66.0°,φ3的取值范围为(-5)°-5°。上述掺镱晶体的生长过程,具体步骤包括:(1)采用CaCO3、R2O5、Ga2O3、SiO2和Yb2O3作为原料,CaCO3、R2O5、Ga2O3、SiO2和Yb2O3的纯度均大于或等于99.99%,按照分子式Ca3-3xYb3xRGa3Si2O14的化学计量比进行配料,R为Nb离子或Ta离子;(2)在步骤(1)得到的原料中加入Ga2O3,每100g原料加入0.1-1.0gGa2O3;进一步优选的,每100g原料加入0.35gGa2O3;可以弥补生长过程中Ga2O3挥发导致组分偏析的问题。(3)将步骤(2)得到的加入Ga2O3后的原料进行研磨;防止混料时粘结成块状。(4)混料12-36小时;以保证原料的均匀性。(5)将步骤(4)得到的原料压结成块;(6)在1100-1250℃的温度下烧结5-30小时,充分反应后合成多晶料;进一步优选的,在1150℃的温度下烧结20个小时。(7)将步骤(6)得到的多晶料放在单晶炉内进行生长,生长至所需要的尺寸后,将晶体提离液面,采用分阶段降温方法降至室温后将晶体取出。根据本专利技术优选的,所述步骤(3)中,放入玛瑙研钵中进行研磨;所述步骤(4)中,在混料罐中混料30小时,混料罐中原料不超过混料罐体积的三分之一;所述步骤(5)中,在圆柱形钢模具中压结成块,所述圆柱形钢模具内侧衬有塑料薄膜;保证原料不受污染;所述步骤(6)中,在1150℃温度下,将块放在刚玉坩埚内,放入马弗炉烧结20小时。让原料充分反应合成多晶料。根据本专利技术优选的,所述步骤(7)中,所述单晶炉的型号为TDR(L)-J50A,所述单晶炉使用的中频加热电源的型号为35-3-2.5,额定输出频率2500Hz;所述单晶炉使用的铱金坩埚尺寸为Φ70×50×2mm,籽晶为a向,生长气氛为N2+0.5-3vol%O2,所述单晶炉保持正压;生长过程中拉速为0.2-1.0mm/h,转速5-25r/min。进一步优选的,生长过程中,所述单晶炉内气压为0.5-2.0kPa。一种可调谐的掺镱自倍频绿光激光器,包括从左至右依次沿光路安放的半导体激光泵浦源、谐振腔入射镜、自倍频激光晶体及谐振腔输出镜,所述自倍频激光晶体为所述掺镱晶体,所述自倍频激光晶体在通光方向的长度为0.1-30mm,所述自倍频激光晶体的切割方向为所发射530nm激光的倍频相位匹配方向。此处设计的优势在于,不使用聚焦系统,而用半导体激光泵浦源的光纤输出头直接泵浦自倍频激光晶体,这样制成的激光器虽然输出功率和转换效率有一定损失,但体积更小,结构更紧凑,成本更低。半导体激光泵浦源发射泵浦激光,泵浦激光通过谐振腔入射镜,进入自倍频激光晶体,即掺镱晶体,自倍频激光晶体产生1060nm附近的近红外激光,再经自倍频激光晶体的非线性倍频产生530nm附近的绿光,由谐振腔输出镜一端输出腔外。根据本专利技术优选的,所述自倍频激光晶体在通光方向的长度为0.2-20mm,所述自倍频激光晶体均为长方体或柱状。根据本发本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种掺镱晶体,其特征在于,所述掺镱晶体的分子式为Ca3‑3xYb3xRGa3Si2O14,R为Nb离子或Ta离子,Yb离子的掺杂浓度为0.1–50at.%。

【技术特征摘要】
1.一种掺镱晶体,其特征在于,所述掺镱晶体的分子式为Ca3-3xYb3xRGa3Si2O14,R为
Nb离子或Ta离子,Yb离子的掺杂浓度为0.1–50at.%。
2.根据权利要求1所述的一种掺镱晶体,其特征在于,Yb离子的掺杂浓度为0.5–15at.%。
3.根据权利要求1所述的一种掺镱晶体,其特征在于,所述掺镱晶体为
Ca3-3xYb3xNbGa3Si2O14晶体或Ca3-3xYb3xTaGa3Si2O14晶体,所述Ca3-3xYb3xNbGa3Si2O14晶体的
I类相位匹配的切割角为(θ,φ),θ的取值范围为31.0°—41.0°,φ的取值范围为25.0°—35.0°,
所述Ca3-3xYb3xNbGa3Si2O14晶体的II类相位匹配的切割角为(θ1,φ1),θ1的取值范围为50.0°
—60.0°,φ1的取值范围为(-5)°-5°;所述Ca3-3xYb3xTaGa3Si2O14晶体的I类相位匹配的切割
角为(θ2,φ2),θ2的取值范围为30.5°—40.5°,φ2的取值范围为25.0°-35.0°,所述
Ca3-3xYb3xTaGa3Si2O14晶体的II类相位匹配的切割角为(θ3,φ3),θ3的取值范围为56.0°—
66.0°,φ3的取值范围为(-5)°-5°。
4.权利要求1-3任一所述的一种掺镱晶体的生长过程,其特征在于,具体步骤包括:
(1)采用CaCO3、R2O5、Ga2O3、SiO2和Yb2O3作为原料,按照分子式Ca3-3xYb3xRGa3Si2O14的化学计量比进行配料,R为Nb离子或Ta离子;
(2)在步骤(1)得到的原料中加入Ga2O3,每100g原料加入0.1-1.0gGa2O3;进一步优
选的,每100g原料加入0.35gGa2O3;
(3)将步骤(2)得到的加入Ga2O3后的原料进行研磨;
(4)混料12-36小时;
(5)将步骤(4)得到的原料压结成块;
(6)在1100-1250℃的温度下烧结5-30小时,充分反应后合成多晶料;进一步优选的,
在1150℃的...

【专利技术属性】
技术研发人员:王正平张栩朝郭世义于法鹏许心光赵显
申请(专利权)人:山东大学
类型:发明
国别省市:山东;37

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