磷酸钇系列激光晶体及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种磷酸钇系列激光晶体及其制备方法和用途，该晶体的结构通式为Y1-xRExPO4，其中RE为激活离子，是三价过渡金属元素Cr以及镧系元素Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或两种或三种；0＜x＜0.5，该类晶体属于四方晶系，锆石型结构，空间群I41/amd。该类晶体采用助熔剂法生长单晶，可作为固体激光器的工作物质，被闪光灯、半导体激光或其他光源泵浦而输出固体激光。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一磷酸钇系列激光晶体及其制备方法和用途，属于激光晶体材料领域。
技术介绍
固体激光器系统由于其结构紧凑、使用方便、激光光束质量高、运行稳定，与其他激光器相比具有明显的优势，因而受到广泛的关注。目前的固体激光器大多采用激光晶体作为其工作物质。激光晶体一般由基质晶体和激活离子(过渡族或稀土离子)两部分构成，其各种物理和化学性质主要由基质材料决定，而其光谱特性和荧光寿命等则由激活离子的能级结构决定。虽然迄今已发现了数百种激光晶体，但由于各种原因，能真正得到实际应用的激光晶体只有十来种。目前，应用最广泛的激光晶体是掺钕离子的钇铝石榴石(YAG)晶体，其具有较好的各种物理和化学性能，制备成本低廉。但它存在着吸收谱线窄，不适宜于用激光二极管(LD)来进行泵浦的缺点。钒酸钇(YVO4)作为激光基质材料几乎与YAG同时出现，它是四方相的锆石型结构，具有很好的双折射性、导热性、热胀性等基质材料需要的优良特性，特别是其在微型全固态激光器的LD泵浦源的应用。YVO4晶体曾用熔盐法、火焰法、提拉法等生长，但未能得到高光学质量的晶体，晶体内的包裹物缺陷严重。其主要的困难是熔点高(熔点1840℃)，在生长过程中由于组分中的V挥发变价，使晶体容易出现包裹物等晶体缺陷，使晶体的质量和成品率难以得到保证。近年来提拉法虽有突破，可以得到高光学质量的单晶，但成品率还较低。磷酸钇(YPO4)与钒酸钇晶体同构，其结构中P原子取代V原子位置。与钒酸钇比较，磷酸钇晶体透光范围更宽，并且没有因钒元素在高温下变价导致的晶体缺陷；因此，磷酸钇可替代钒酸钇作为优异的激光基质晶体材料。通常在磷酸钇基质晶体掺入激活离子RE3+形成RE：YPO4(分子式为Y1-xRExPO4，RE为三价过渡金属元素Cr或镧系元素Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中某一元素或若干元素的组合，x＝0～0.5)激光晶体，是制作小型化、高效率、低阈值的二极管泵浦激光器的优选材料，有望用于半导体泵浦激光器。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一系列以磷酸钇为基质的RE:YPO4激光晶体。本专利技术的另一目的在于提供RE:YPO4激光晶体的生长方法，采用高温熔液法生长单晶体。本专利技术的再一目的在于提供RE:YPO4激光晶体的用途，该类晶体可作为固体激光器的工作物质，被闪光灯、半导体激光或其他光源泵浦而输出固体激光。本专利技术所述的一种磷酸钇系列激光晶体，该晶体化学式为Y1-xRExPO4，其中RE为激活离子，是三价过渡金属元素Cr以及镧系元素Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中一种或两种或三种；0＜x＜0.5，该类晶体属于四方晶系，锆石型结构，空间群I41/amd。所述的磷酸钇系列激光晶体的制备方法，其特征在于采用高温熔液法生长晶体，具体操作步骤按下进行：a、按化学式Y1-xRExPO4分别称取摩尔比的Y2O3，NH4H2PO4或P2O5，三价过渡金属Cr或镧系氧化物RE2O3混合研磨并均匀压块，在空气气氛下烧结温度为900℃-1200℃，保温8-24h得到多晶原料；b、将步骤a烧结好的多晶原料与助熔剂以质量比1:1-5研磨后置于铂金坩埚中，装炉，加热至温度1000℃-1300℃得混合熔液，恒温1-50小时，将熔液降温至950-1200℃，在熔液表面下籽晶，以0-20转/分钟的转速旋转籽晶，晶体生长温度在900℃-1200℃之间，以0.1-1℃/天的速率缓慢降温，晶体生长周期7-21天；c、待单晶生长到所需尺度后，使晶体脱离熔液液面，以温度1-100℃/h的速率降至室温，然后缓慢从炉膛中取出，即可获得磷酸钇系列激光晶体。步骤b中助熔剂为磷酸二氢铵、五氧化二磷、碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、硼酸、焦磷酸铅、偏磷酸锂、偏磷酸钠、偏磷酸钾、焦磷酸锂、焦磷酸钠、焦磷酸钾中一种或两种或三种，其具体比例和化学组成根据不同晶体生长条件确定。所述的磷酸钇系列激光晶体在制备固体激光器中的用途。本专利技术所述的磷酸钇系列激光晶体，该RE:YPO4系列激光晶体，其分子式为Y1-xRExPO4,其中RE为激活离子，是三价过渡金属元素Cr以及镧系元素Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中一种或两种或三种的组合；RE激活离子部分替代晶体基质中Y3+离子位置，其种类是根据泵浦源、激光腔和应用需要等因素确定；x的取值根据掺杂离子种类和激光运转需要在0＜x＜0.5之间变化；该类晶体属于四方晶系，锆石型结构,空间群I41/amd，其中基质晶体YPO4的晶胞参数为Z＝4；掺杂RE:YPO4激光晶体的晶胞参数可能随RE和x值的变化而有所变化。该类激光晶体除了过渡金属或镧系金属带来的特征谱线外，在150nm至3300nm波段透明。本专利技术所述的磷酸钇系列激光晶体制备方法，该方法利用助熔剂法生长晶体，可以获得厘米量级、高质量的RE:YPO4激光晶体材料。本专利技术所述的磷酸钇系列激光晶体用途，该RE:YPO4系列激光晶体材料具有良好的光学、机械和热导性能，较高的化学稳定性，而且便于生长。该类晶体可作为固体激光器的工作物质，被闪光灯、半导体激光或其他光源泵浦而输出固体激光。附图说明图1为本专利技术激光二极管(LD)泵浦的磷酸钇固体激光器的示意图，其中1为LD2为聚光系统，3为后反射镜，4为激光工作物质，5为输出耦合镜。具体实施方式实施例1：Cr:YPO4激光晶体制备Cr:YPO4晶体：具体的化学方程式为：xCr2O3+(1-x)Y2O3+2NH4H2PO4→2Y1-xCrxPO4+2NH3↑+3H2O；取x＝0.01，所用原料(分析纯)：Cr2O3、Y2O3、NH4H2PO4，所用助熔剂为分析纯的磷酸二氢铵、硼酸和碳酸钾按摩尔比1∶1∶2混合；将原料按化学式分别按摩尔比严格称量，放入研钵中混合研磨，并均匀压块，装入铂金坩埚中，在马弗炉中温度1200℃空气气氛下烧结8小时得到多晶料；然后将多晶料与助熔剂磷酸二氢铵、硼酸和碳酸钾混合物按质量比为1:1混合均匀后装入铂金坩埚中，放入晶体生长炉，升温至1100℃使多晶料熔化，恒温12小时得混合熔液，将熔液降温至1050℃，在混合熔液表面下籽晶，不旋转籽晶，晶体生长温度范围为1030℃到1020℃，以温度0.5℃/天的速率缓慢降温，晶体生长周期为14天；待单晶生长到所需尺度后，使晶体脱离熔液液面，以温度30℃/h的速率降至室温，然后缓慢从炉膛中取出，即可得到40mm×30mm×30mm的Cr:YPO4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磷酸钇系列激光晶体，其特征在于该晶体化学式为Y1‑xRExPO4，其中RE为激活离子，是三价过渡金属元素Cr以及镧系元素Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中一种或两种或三种；0＜x＜0.5，该类晶体属于四方晶系，锆石型结构，空间群I41/amd。

【技术特征摘要】
1.一种磷酸钇系列激光晶体，其特征在于该晶体化学式为Y1-xRExPO4，其中RE为激活离子，是三价过渡金属元素Cr以及镧系元素Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中一种或两种或三种；0＜x＜0.5，该类晶体属于四方晶系，锆石型结构，空间群I41/amd。
2.根据权利要求1所述的磷酸钇系列激光晶体的制备方法，其特征在于采用高温熔液法生长晶体，具体操作步骤按下进行：
a、按化学式Y1-xRExPO4分别称取摩尔比的Y2O3，NH4H2PO4或P2O5，三价过渡金属Cr或镧系氧化物RE2O3混合研磨并均匀压块，在空气气氛下烧结温度为900℃-1200℃，保温8-24h得到多晶原料；
b、将步骤a烧结好的多晶原料与助熔剂以质量比1:1-5研磨后置于铂金坩埚中，装炉，加热至温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘世烈，王颖，武奎，
申请(专利权)人：中国科学院新疆理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：新疆;65