掺钒钇铝石榴石晶体的生长方法技术

一种掺钒钇铝石榴石晶体的生长方法，采用传统的提拉法、坩埚下降法或温度梯度法生长Ｖ：ＹＡＧ晶体，其特征是加热方式采用石墨发热体，或炉膛内充入ＣＯ或Ｈ↓［２］还原性气体，或原料配比中加入高价态的Ｓｉ↑［４＋］或Ｚｒ↑［４＋］离子。本发明专利技术方法提高了晶体中产生１．０～１．５μｍ可饱和吸收带的四面体格位Ｖ↑［３＋］离子占所有Ｖ离子的比例。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学和光电子材料领域，涉及晶体生长，特别是一种掺钒钇铝石榴石(V:YAG)晶体的生长方法。
技术介绍
调Q固体激光器具有输出激光脉冲短、峰值功率高等优点，在医学、光纤通讯、测量技术和非线性光学等领域有广泛的应用。相比于主动Q开关，被动Q开关具有结构简单、体积小、成本低等优点而被广泛应用。早期的被动调Q材料一般采用有机染料和色心晶体，然而这些材料具有化学稳定性差、使用寿命短的缺点，不利于长期稳定的工作。近来人们发现Cr4+:YAG晶体在0.9～1.2μm波段具有宽的吸收带和良好的饱和吸收特性，主要应用于Nd激光器1.06μm处的被动调Q。掺钒钇铝石榴石晶体(V:YAG)是一种新型的可饱和吸收材料，可饱和吸收带覆盖1.0～1.5μm，有着更加广泛的应用背景可用作Nd激光器1.06μm和1.34μm(参见Applied PhysicsB 1998，67555～558；SPIE 2004，5460292～302)，以及Er激光器1.54μm(参见AppliedOptics 2005，441704～1708)的被动Q开关。通过频移1.34μm激光获得具有特殊重要应用的人眼安全波段1.54μm激光器(参见Instruments and Experimental Techniques2005，48239-240)，要比1.06μm具有更高的效率。因此，V:YAG已经成为了最重要的被动Q开关材料之一。V:YAG的1.0～1.5μm可饱和吸收带属于四面体格位的V3+离子。而V在YAG晶体中可以呈现出+3、+4、+5等多种价态，特别是四面体格位非常有利于高价态(＞+3)V离子的存在。因此，采用一般熔体法生长的V:YAG晶体含有的四面体格位V3+浓度非常低，几乎检测不到上述的可饱和吸收带的存在，必须经过复杂的还原气氛高温退火处理提高其浓度(参见SPIE 1999，3724329-333；Optical Engineering 2002，411976-1982)。必需采取后处理工艺，这不仅增加了V:YAG晶体的成本，还增长了生产周期。综上所述，V:YAG作为一种具有非常宽(约500nm)的吸收带的可饱和吸收体，已经被广泛地用于产生几个典型激光波段1.06μm、1.34μm和1.54μm的高峰值功率激光脉冲。但是，为了提高V:YAG晶体的被动调Q性能，如何提高V:YAG晶体中四面体格位V3+的比例是一个需要解决的重要的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是要克服上述在先技术难以获得高浓度四面体格位V3+离子的缺点，提供一种，以提高晶体中产生1.0～1.5μm可饱和吸收带的四面体格位V3+离子占所有V离子的比例。本专利技术技术解决方案如下一种，采用传统的提拉法、坩埚下降法或温度梯度法生长V:YAG晶体，其特征是V:YAG晶体生长过程的加热方式采用石墨发热体，或炉膛内充入CO或H2还原性气体，或原料配比中加入高价态的Si4+或Zr4+离子。所述的采用石墨电阻发热体加热的同时，炉膛内为真空状态、或充入惰性保护气体、或充入CO或H2还原性气体。所述的加热方式为感应加热或电阻加热时，炉膛内充入CO或H2还原性气体。所述的原料配比中加入高价态的Si4+或Zr4+离子是按原料中加入V离子原子百分含量的0.1％～10％加入SiO2或ZrO2的方式添加的。我们采用电感耦合等离子体原子发射光谱测试按照本专利技术的生长方法所生长的V:YAG晶体中V离子的整体重量百分浓度。由此测得具体实施例2中V:YAG晶体的V浓度为0.25wt％，计算出原子数体积浓度(N0)为1.3×1020/cm3。晶体毛坯经过切割和抛光处理后，采用Jasco V-570UV/VIS/NIR分光光度计测试V:YAG晶体的室温吸收光谱。根据实际测定的1342nm处的吸收系数(α)和文献中V:YAG晶体在1342nm波长处的吸收截面(σ)为7.2×10-18cm2，可以算出晶体中四面体V3+离子的原子数体积浓度(N1)∶N1＝α/σ。本专利技术具体实施例2中V:YAG晶体的吸收光谱如图2所示，1342nm的吸收系数为0.82cm-1，由此计算出四面体V3+离子的原子数体积浓度为2.2×1017/cm3。N1除以N0即为四面体V3+离子占晶体中所有V离子的比例。本专利技术实施例2中这一比例为0.17％。这一数值越大，即表明所使用的晶体生长方法越有利于四面体V3+离子的形成。根据本专利技术，该领域的工作者在现有生长设备的基础上作改进，或者采用本专利技术的原料配方，可以低成本、高效率地获得在1.0～1.5μm波段具有可饱和吸收特性的V:YAG晶体。附图说明图1为本专利技术方法在感应加热提拉法在H2气氛下生长的V:YAG晶体(厚度为2.2mm)的透过光谱。图2为本专利技术采用石墨电阻加热温度梯度法在高纯(＞99.995％)Ar气氛下生长的V:YAG晶体(厚度为5.5mm)的吸收光谱。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1采用V2O5、Al2O3、Y2O3作初始原料，V2O5的掺杂浓度为0.20at％，混合均匀后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内。使用感应加热提拉法生长晶体，经X射线衍射仪精确定向端面法线方向为的YAG单晶棒作籽晶，生长气氛为流动的H2。生长的晶体毛坯呈深绿色，从毛坯上切割小块样品，研磨后采用ICP-AES测定晶体中V的含量为0.14at％，换算成原子数体积浓度等于3.2×1019/cm3。从晶体毛坯上切割厚度为2.6mm的晶片，光学抛光至厚度为2.2mm，采用Jasco V-570UV/VIS/NIR分光光度计测试透过光谱如图1所示。换算出1342nm处的吸收系数为0.24cm-1，除以其吸收截面7.2×10-18cm2，计算出晶体中四面体V3+离子的原子数体积浓度为3.36×1016/cm3，占所有V离子的比例为0.11％。实施例2采用V2O3、Al2O3、Y2O3作初始原料，V2O3的掺杂浓度为0.78at％，混合均匀后在液压机上压制成块，放于钼坩埚内，坩埚底部放有经X射线衍射仪精确定向端面法线方向为的YAG单晶棒籽晶。使用石墨发热体加热的温梯炉生长晶体，生长气氛为纯度高于99.995％的氩气。生长的晶体毛坯呈深绿色，从毛坯上切割小块样品，研磨后采用ICP-AES测定晶体中V的含量为0.58at％，换算成原子数体积浓度等于1.3×1020/cm3。从晶体毛坯上切割厚度为6.0mm的晶片，光学抛光至厚度为5.5mm(镀膜后如图2所示)，采用Jasco V-570UV/VIS/NIR分光光度计测试吸收光谱如图3所示，1342nm处的吸收系数为1.56cm-1，除以其吸收截面7.2×10-18cm2，计算出晶体中四面体V3+离子的原子数体积浓度为2.2×1017/cm3，占所有V离子的比例为0.17％。实施例3 采用V2O5、Al2O3、Y2O3、SiO2作初始原料，其中V2O3的掺杂浓度为0.80at％，SiO2的掺杂浓度为0.008at％，混合均匀后在液压机上压制成块，放于钼坩埚内，坩埚底部放有经X射线衍射仪精确定向端面法线方向为的YAG单晶棒籽晶。使用石墨发热体加热的温梯炉生长晶体，生长气氛为纯度高于99.995％的氩气。生长的晶体毛坯呈深绿色。实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺钒钇铝石榴石晶体的生长方法，采用传统的提拉法、坩埚下降法或温度梯度法生长Ｖ：ＹＡＧ晶体，其特征是Ｖ：ＹＡＧ晶体生长过程中的加热方式采用石墨发热体，或炉膛内充入ＣＯ或Ｈ↓［２］还原性气体，或原料配比中加入高价态的Ｓｉ↑［４＋］或Ｚｒ↑［４＋］离子。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏良碧，李红军，张丹，徐军，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]