硼酸锌晶体在激光晶体中的用途制造技术

本发明专利技术属于晶体材料技术领域，涉及硼酸锌晶体的用途，尤其涉及硼酸锌晶体作为激光晶体基质材料的新用途。本发明专利技术所涉及的硼酸锌晶体属于立方晶系、I‑43m空间群，化学式为Zn4B6O13，单胞参数

【技术实现步骤摘要】
硼酸锌晶体在激光晶体中的用途
本专利技术属于晶体材料
，涉及一种硼酸锌晶体的用途，尤其涉及一种硼酸锌晶体用作激光晶体基质材料的新用途。
技术介绍
随着激光技术的发展，激光器在精密测绘、通讯信息处理、微电子器件加工以及医疗美容等方面有着重要的应用。其中，固体激光器由于体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、光束质量高等优点，常用于精准制导、半导体器件加工、大气质量检测、光谱研究、外科手术、全息照相以及激光核聚变等方面，是激光器家族中重要的成员之一。固体激光器中的核心器件是激光晶体。在高功率泵浦下，激光晶体的热效应对所产生激光的功率和光束质量具有很大影响，是制约固体激光器发展的一个重要因素。从某种意义上讲，固体激光器的研发就是一个与激光晶体热效应抗争的过程。例如，如果激光晶体的热膨胀系数过大或者热导率过低，高功率泵浦下产生强的热应力将会严重地降低其损伤阈值，同时所导致的折射率变化也会产生透镜效应，极大地影响所产生激光的光束质量。目前固体激光器中常用的商业化激光晶体基质材料主要是钇铝石榴石(Y3Al5O12，简称YAG)和钒酸钇(YVO4)。钇铝石榴石的热膨胀系数为6.9/MK，热导率仅为14W/m·K；而钒酸钇a轴的热膨胀系数为4.43/MK，c轴的热膨胀系数为11.37/MK，a轴的热导率为5.32W/m·K，c轴热导率为5.10W/m·K。很显然，钇铝石榴石和钒酸钇都不具备低的热膨胀系数和高的热导率，如何降低这两种晶体的热效应所导致的对输出激光功率和品质的影响一直以来是激光技术研究领域的热点课题之一。同时，对于激光晶体，力学性能也是很重要的性能指标，高的力学强度能够有效地改善晶体抵抗力学冲击的能力，提高其在复杂环境中应用性能的稳定性。因而，有必要开发一种既具有较低的热膨胀系数、较高的热导率，又兼具良好力学性能的激光晶体。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种硼酸锌晶体用作激光晶体基质材料的用途。本专利技术所涉及的硼酸锌(简称ZBO)晶体具有低的热膨胀系数和高的热导率。以其作为激光晶体基质材料，在应用中能够有效地降低由于热效应所导致的对激光晶体的损伤和对光束质量的下降。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种硼酸锌晶体的用途，尤其是所述硼酸锌晶体用作激光晶体基质材料的用途。本专利技术所涉及的硼酸锌晶体属于立方晶系、I-43m空间群，化学式为Zn4B6O13，单胞参数本专利技术中，所述“激光晶体基质材料”指：激光晶体中作为激活离子掺杂的基质材料。优选地，所述硼酸锌晶体在298K的热膨胀系数为3.5/MK；优选地，所述硼酸锌晶体在298K的热导率为30.5W/m·K；优选地，所述硼酸锌晶体的体积模量为241GPa；优选地，所述硼酸锌晶体的杨氏模量为267GPa；优选地，所述硼酸锌晶体的剪切模量为104GPa；优选地，所述硼酸锌晶体的维氏硬度为1304；优选地，所述硼酸锌晶体的莫氏硬度为9。本专利技术还提供了一种激光晶体，所述激光晶体包括上述的硼酸锌晶体，且硼酸锌晶体作为激光晶体基质材料。优选地，所述激光晶体包括上述的硼酸锌晶体，以及掺杂在所述硼酸锌晶体中的激活离子，所述硼酸锌晶体作为激光晶体基质材料。本专利技术中，对激活离子的掺杂位置不作限定，例如激活离子可以掺杂在锌离子、氧离子或硼离子位置中的任意一种，或同时掺杂在上述两种或三种离子位置，优选的情况下，所述激活离子掺杂在所述硼酸锌晶体的锌离子位置。优选地，以被掺杂离子和激活离子的总摩尔质量为100mol.％计，所述激活离子的摩尔质量百分含量为0～100mol.％，且不包含0也不包含100mol.％，例如可以是0.001mol.％、0.005mol.％、0.01mol.％、0.025mol.％、0.05mol.％、0.07mol.％、0.1mol.％、0.2mol.％、0.3mol.％、0.4mol.％、0.6mol.％、0.8mol.％、1mol.％、1.25mol.％、1.5mol.％、2mol.％、3mol.％、4mol.％、6mol.％、8mol.％、10mol.％、12.5mol.％、15mol.％、17mol.％、20mol.％、30mol.％、35mol.％、40mol.％、42mol.％、45mol.％、50mol.％、60mol.％、65mol.％、70mol.％、75mol.％、80mol.％、85mol.％、90mol.％、93mol.％、96mol.％或99mol.％等。本专利技术中，所述“被掺杂离子”指：激活离子掺杂位置对应的离子，例如：当激活离子掺杂在锌离子位置时，被掺杂的离子指锌离子，当激活离子掺杂在氧离子位置时，被掺杂的离子指氧离子，当激活离子掺杂在硼离子位置时，被掺杂的离子指硼离子，当激活离子掺杂在硼离子和锌离子位置时，被掺杂的离子指硼离子和锌离子的总称。采用本专利技术所涉及的硼酸锌晶体作为激光晶体基质材料时，可以按照本领域制备激光晶体常用的掺杂量10mol.％以下进行制备。但是，本专利技术对掺杂量不作限定，对掺杂的方式也不作限定，随着技术的发展，产生的新的掺杂方法和更大的10mol.％～100mol.％(不包含100mol.％)的掺杂量，只要使用了本专利技术所涉及的硼酸锌作为激光晶体基质材料，均在本专利技术的保护范围之内。本专利技术中，对激活离子的种类不作限定。作为优选方案，所述激活离子包括钕离子、铥离子，镱离子、铒离子或钛离子中的任意一种或至少两种的组合，但并不限于上述列举的激活离子，其他本领域常用的激活离子也可用于本专利技术。本专利技术对激光晶体的生长方法不作限定，本领域技术人员可参照现有技术的方法进行。本专利技术提供了一种生长上述的激光晶体的优选方案，包括如下步骤：(1)固相合成：按照硼酸锌中硼与锌的化学计量比称量ZnO和B2O3，将ZnO、B2O3和激活离子氧化物混合、研磨，然后将得到的样品放入坩埚，置于马弗炉内，升温，于800～850℃保温，得到激活离子掺杂的硼酸锌粉末；其中，升温至800～850℃的过程中，分别在第一温度、第二温度和第三温度时将样品取出进行研磨，第一温度为300～350℃，第二温度为450～500℃，第三温度为650～700℃；(2)单晶生长：将激活离子掺杂的硼酸锌粉末放入坩埚，置于晶体生长炉中，升温至1000～1100℃，保温以均匀熔体，然后降温至960～990℃；将籽晶放至熔体中，保持转速为10～15转/分钟，晶体生长持续3～10天，待晶体生长到所需尺寸时，将生长好的单晶提拉至熔体液面以上50～100mm处，将温度以0.2～0.5℃/分钟的速度降至室温，将晶体取下。优选地，步骤(1)所述激活离子氧化物包括Nd2O3、Tm2O3，Yb2O3、Er2O3或Ti2O3中的任意一种或两种的组合。优选地，步骤(1)所述研磨在研钵或球磨机中进行。优选地，步骤(1)所述升温的速率为1～10℃/min，例如为1℃/min、3℃/min、5℃/min、7℃/min、8℃/min或10℃/min等。优选地，步骤(1)所述保温的时间为72h，且在保温的过程中每隔24h将样品取出进行研磨。优选地，步骤(2)所述坩埚为铂金坩埚。优选地，步骤(2)所述升温速率为3～5℃/min，例如为3℃/min、3.2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硼酸锌晶体的用途，其特征在于，所述硼酸锌晶体用作激光晶体基质材料，所述硼酸锌晶体属于立方晶系、I‑43m空间群结构，化学式为Zn4B6O13，单胞参数

【技术特征摘要】
1.一种硼酸锌晶体的用途，其特征在于，所述硼酸锌晶体用作激光晶体基质材料，所述硼酸锌晶体属于立方晶系、I-43m空间群结构，化学式为Zn4B6O13，单胞参数2.根据权利要求1所述硼酸锌晶体的用途，其特征在于，所述硼酸锌晶体在298K的热膨胀系数为3.5/MK。3.根据权利要求1或2所述硼酸锌晶体的用途，其特征在于，所述硼酸锌晶体在298K的热导率为30.5W/m·K。4.根据权利要求1-3任一项所述硼酸锌晶体的用途，其特征在于，所述硼酸锌晶体的体积模量为241GPa；优选地，所述硼酸锌晶体的杨氏模量为267GPa；优选地，所述硼酸锌晶体的剪切模量为104GPa；优选地，所述硼酸锌晶体的维氏硬度为1304；优选地，所述硼酸锌晶体的莫氏硬度为9。5.一种激光晶体，其特征在于，所述激光晶体包括权利要求1-4任一项所述的硼酸锌晶体作为激光晶体基质材料；优选地，所述激光晶体包括权利要求1所述的硼酸锌晶体，以及掺杂在所述硼酸锌晶体中的激活离子，所述硼酸锌晶体作为激光晶体基质材料；优选地，所述激活离子掺杂在所述硼酸锌晶体的锌离子位置、氧离子位置、硼离子位置，或上述两种或三种离子位置；优选地，所述激活离子掺杂在所述硼酸锌晶体的锌离子位置；优选地，以被掺杂离子和激活离子的总摩尔质量为100mol.％计，所述激活离子的摩尔质量百分含量为0～100mol.％，且不包含0也不包含100mol.％；优选地，所述激活离子包括钕离子、铥离子，镱离子、铒离子或钛离子中的任意一种或两种的组合。6.如权利要求5所述的激光晶体的生长方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)固相合成：按照硼酸锌中硼与锌的化学计量比称量ZnO和B2O3，将ZnO、B2O3和激活离子氧化物混合、研磨，然后将得到的样品放入坩埚，置于马弗炉内，升温，于800～850℃保温，得到激活离子掺杂的硼酸锌粉末；其中，升温至800～850℃的过程中，分别在第一温度、第二温度和第三温度时将样品取出进行研磨，第一温度为300～350℃，第二温度为450～500℃，第三温度为650～700℃；(2)单晶生长：将激活离子掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：林哲帅，姜兴兴，吴少凡，吴以成，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11