掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体，包括由化学式A3BGa3Si2O14系列晶体，其中，A为Ca或Sr，所述B为Nb或Ta；根据上述记载，掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体包括：Nd:Ca3TaGa3Si2O14、Nd:Sr3TaGa3Si2O14、Nd:Sr3NbGa3Si2O14和Nd:Ca3NbGa3Si2O14，该四种晶体均能实现自倍频。本发明专利技术还提供一种上述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体的制备方法。本发明专利技术还提供一种上述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体的应用，采用商用的中心波长为808nm的半导体激光器泵浦(LD),利用掺钕A3BGa3Si2O14(A＝Ca,Sr；B＝Nb,Ta)系列晶体其增益介质及非线性光学的性能，获得输出波长533nm的绿光自倍频激光，该激光器具有转化效率高、结构紧凑、小型化、可靠性高、寿命长等优点。

【技术实现步骤摘要】
掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体及其制备方法与应用，属于激光与非线性光学的

技术介绍
全固态绿光激光器在激光生物医学、激光彩色显示、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光打印、激光水下成像与通讯等领域具有重要应用前景。激活离子Nd3+对应的4F3/2→4F11/2四能级结构跃迁谱线(1.06μm)增益强、发射截面大、效率高。商用半导体激光器(GaAs/GaAlAs,～808nm)泵浦的掺Nd3+的YAG、YVO4、YLF和YAP等激光晶体输出功率已经达到很高水平并且实现了1.06μm固体激光器商业化。目前，实现全固态绿激光光源0.530μm的主要是用KTP和LBO倍频晶体倍频上述1.06μm激光得到，具有效率高、光束好、体积小、稳定性高和寿命长等优点。获得可见光的另一种重要方式是采用激光自倍频技术。所谓自倍频晶体，就是增益介质本身还具有非线性光学的性能，它能利用基质的非线性效应把激活离子受激辐射产生的基频光进行频率转换，得到倍频光。因此，这类晶体必须是不具有对称中心，而且按照相位匹配方向加工。与同时使用激光晶体和倍频晶体的激光器相比，自倍频激光器的特点是体积小，结构简单，光路调整容易，特别是造价低的优势使其具有重要的应用前景。目前实现自倍频绿光激光运转的晶体主要有Nd:MgO:LiNbO3、NdxY1-xAl3(BO3)4和Nd:ReCaO4(BO3)3(Re:Y和Gd)。尽管LiNbO3晶体的有效非线性系数很大(deff＝5.3pm/V)，但是由于光折变效应的存在使该晶体易产生光损伤。虽然可以通过在晶体中掺MgO来减弱这种效应，但同时也影响了晶体的光学质量，限制了Nd3+的掺杂浓度。NdxY1-xAl3(BO3)4(NYAB)晶体的不足之处是不易获得高光学质量的大块单晶。这主要是因为Nd3+离子和Y3+离子的半径相差较大，而且NYAB并非NAB和YAB的均匀固熔体，而是NAB或者YAB晶体与NYAB晶体的复合体。这就造成NYAB晶体中许多结构性缺陷，还使晶体的电轴转动，晶体中产生电双晶。另外NYAB在530nm处的吸收较强，对自倍频输出非常不利。Nd:ReCaO4(BO3)3(Re:Y和Gd)晶体虽然具有较大的有效非线性系数但是晶体的对称性低，热学性质各向异性较强，实际应用控温要求高。因此，迫切有必要探索综合性能优良的激光自倍频晶体。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体。本专利技术还提供一种上述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体的制备方法。本专利技术还提供一种上述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体的应用。实际应用中将Nd:A3BGa3Si2O14系列晶体沿1066nm相位匹配方向加工成倍频器件。本专利技术自倍频绿激光器(输出波长533nm)是利用商用半导体激光器(LD，中心波长808nm)泵浦的上述倍频器件得到。该激光器具有结构简单、使用方便、稳定性好、寿命长、体积小、转化率高等优点，有利于自倍频绿光激光器发展和应用。本专利技术的技术方案如下：专业技术术语：1.倍频(SHG)光学倍频又称光学二次谐波，是指由于光与非线性媒质(一般是晶体)相互作用，使频率为ω的基频光转变为2ω的倍频光的现象。这是一种常见而重要的二阶非线性光学效应。2.自倍频(SFD)所谓自倍频，就是增益介质本身还具有非线性光学的性能，它能利用基质的非线性效应把激活离子受激辐射产生的基频光进行频率转换，得到倍频光。因此，这类晶体必须是不具有对称中心，而且按照相位匹配方向加工。专利技术概述本专利技术涉及一种掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体，包括由化学式Nd:A3BGa3Si2O14系列晶体，其中，A为Ca或Sr，所述B为Nb或Ta；根据上述记载，Nd:A3BGa3Si2O14系列晶体包括：Nd:Ca3TaGa3Si2O14、Nd:Sr3TaGa3Si2O14、Nd:Sr3NbGa3Si2O14和Nd:Ca3NbGa3Si2O14，该四种晶体均能实现自倍频。本专利技术还提供一种上述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体的制备方法本专利技术还提供一种上述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体的应用，采用商用的中心波长为808nm的半导体激光器泵浦(LD),利用掺钕A3BGa3Si2O14(A＝Ca,Sr；B＝Nb,Ta)系列晶体其增益介质及非线性光学的性能，获得输出波长533nm的绿光自倍频激光，该激光器具有转化效率高、结构紧凑、小型化、可靠性高、寿命长等优点。专利技术详述一种掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体，包括由化学式A3BGa3Si2O14系列晶体，其中晶体化学式Nd:A3BGa3Si2O14其中，A为Ca或Sr，所述B为Nb或Ta。根据本专利技术优选的，所述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体中，钕离子的掺杂浓度为0.3～10at％。一种上述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体的制备方法，包括如下步骤：(1)按照现有技术进行化学计量比配料，然后依次进行混料、烧料、压料、再烧料步骤，充分固相反应后得到Nd:A3BGa3Si2O14多晶；(2)将上述得到的Nd:A3BGa3Si2O14多晶放到铱金坩埚里，采用高温单晶提拉炉进行生长，生长成为掺钕A3BGa3Si2O14晶体；(3)对所述的Nd:A3BGa3Si2O14系列晶体进行切角加工。根据本专利技术优选的，所述步骤(2)中，采用高温单晶提拉炉进行生长，其生长速度为0.2～2mm/h,晶体旋转速度为5～20r/min,生长时间为3～7天，生长成为Nd:A3BGa3Si2O14系列晶体。根据本专利技术优选的，所述步骤(2)中，待所述Nd:A3BGa3Si2O14晶体生长结束后，将上述得到的Nd:A3BGa3Si2O14系列晶体进行退火，退火温度在1000-1400℃。此处设计的优点是为了提高晶体的质量。根据本专利技术优选的，所述步骤(2)中，待所述Nd:A3BGa3Si2O14多晶生长结束后，将高温单晶提拉炉按10～50℃/h的降温速率降至16-26℃后取出晶体。对生长的掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体进行荧光谱测试，发现其最强荧光发射峰在1066nm附近，因此激光自倍频器件中需要按照1066nm的相位匹配方向计算和加工。具体1066nm倍频切角的表示方法(θ,φ)，上述切角遵循晶体学的国际惯例，前一个角度θ是为空间切割方向与空间坐标系中Z轴的夹角，后一个角度φ为空间切割方向在空间坐标系中XY平面内的投影与X轴的夹角，其中X轴、Y轴和Z轴为三维空间的坐标轴。根据本专利技术优选的，所述步骤(3)中，当所述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体为Nd:Ca3TaGa3Si2O14时，1066nm倍频切角范围为(33°≤θ≤43°，25°≤φ≤35°)和(56°≤θ≤66°，0°≤φ≤5°)，沿该切角将Nd:Ca3TaGa3Si2O14晶体加工成自倍频器件。考虑到晶体定向、加工和仪器误差，Nd:Ca3TaGa3Si2O14晶体的具体切角范围为(28°≤θ≤48°，20°≤φ≤40°)和(51°≤θ≤71°，0°≤φ≤10°)，沿该切角加工成自倍频器件。根据本专利技术优选的，所述步骤(3)中，当所述掺钕A3BG本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体，包括由化学式A3BGa3Si2O14系列晶体，其特征在，其中晶体化学式Nd:A3BGa3Si2O14其中，A为Ca或Sr，所述B为Nb或Ta。

【技术特征摘要】
1.一种掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体，其特征在于，其中晶体化学式为：Nd:A3BGa3Si2O14，其中，所述A为Ca或Sr，所述B为Nb或Ta；所述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体中，钕离子的掺杂浓度为0.3～10at％。2.一种如权利要求1所述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按照现有技术进行化学计量比配料，然后依次进行混料、烧料、压料、再烧料步骤，充分固相反应后得到掺钕A3BGa3Si2O14多晶；(2)将上述得到的掺钕A3BGa3Si2O14多晶放到铱金坩埚里，采用高温单晶提拉炉进行生长，生长成为掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体；(3)对所述的掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体进行切角加工；所述步骤(2)中，采用高温单晶提拉炉进行生长，其生长速度为0.2～2mm/h,晶体旋转速度为5～20r/min,生长时间为3～7天，生长成为掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体；所述步骤(2)中，待所述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体生长结束后，将上述得到的掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体进行退火，退火温度在1000-1400℃；待所述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体生长结束后，将高温单晶提拉炉按10～50℃/h的降温速率降至16-26℃后取出晶体；所述步骤(3)中，当所述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体为Nd:Ca3TaGa3Si2O14时，1066nm倍频具体切角范围为和沿该切角将Nd:Ca3TaGa3Si2O14晶体加工成自倍频器件；当所述掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体为Nd:Sr3NbGa3Si2O14时，1066nm倍频具体切角范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵显，刘彦庆，于法鹏，陈菲菲，侯帅，王正平，周莹，程秀凤，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37