一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体及其制备方法，所述掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体的化学式为Nd

A kind of alkaline earth metal fluoride laser crystal doped with various trivalent adjusting ions and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体及其制备方法
本专利技术涉及一种激光晶体材料，具体涉及一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体及其制备方法，属于人工激光晶体材料领域。
技术介绍
超强超短激光由于能够创造出极端的物理条件，如超强的电磁场、超高的能量密度，而在科学研究以及工业技术的众多领域都有广泛的应用，如粒子加速、热核聚变、飞秒化学、超精细微加工、高密度信息存储等。作为超快激光技术的关键核心之一，激光增益介质需要具有合适的受激发射截面、长的激光上能级寿命以及宽的增益带宽。Nd3+离子的4f壳层内的能级跃迁是1μm激光的重要来源。在Nd3+众多的掺杂基质中，Nd3+:YAG、Nd3+:YVO4等晶体具有很大的发射截面以及较高的热导率，因而是比较优秀的激光材料。然而，由于这些晶体的发射带宽非常窄，从而限制了其在超快激光方面的应用。氟化物激光晶体由于同时具备高的热导率以及较宽的发射带宽，因而是一种较为理想的激光基质材料。由于Nd3+离子在MeF2晶体中极易形成团簇，从而造成荧光猝灭，限制了其荧光量子效率的提高。对此，中国专利技术专利(专利号：ZL201310027583.2)虽然提出通过向Nd3+:MeF2晶体中掺入一种调剂离子R3+(R3+＝Y，La，Gd，Lu或Sc)来打破钕离子团簇结构的解决方案，也实现了光谱性能一定范围内的调控。然而，飞秒激光的实现需要激光材料具有更加宽的发射带宽与更平滑的荧光光谱，而共掺单一调剂离子的Nd3+,R3+:MeF2晶体很难实现对光谱的进一步调控。
技术实现思路
为了克服单掺三价调剂离子对Nd3+:MeF2晶体光谱性能调控的局限性，本专利技术通过向Nd3+:MeF2晶体中掺杂多种类型的三价调剂离子，生长了三掺的Nd3+,R13+,R23+:MeF2与四掺的Nd3+,R13+,R23+,R33+:MeF2晶体(R13+、R23+、R33+分别选自Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+和Sc3+中不同种类的离子)，从而实现对晶体吸收、发射光谱以及荧光寿命的可控调控，实现光谱的可设计性。一方面，本专利技术提供了一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体，所述掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体的化学式为Nd3+,R3+:MeF2；其中，Me为Ca、Sr、Ba中的一种，R3+为Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+、Sc3+中的至少两种。在MeF2晶体中，F-离子构成立方亚晶格，Me2+离子占据一半的立方亚晶格格位。当掺入Nd3+离子以后，Nd3+离子取代Me2+离子的格位，同时由于电荷补偿而形成间隙氟离子Fi+。三价稀土离子与间隙氟离子构成的Nd3+-Fi+偶极子之间相互作用，形成团聚体而使得体系能量降低。[Nd3+-Nd3+]团簇的存在增大了Nd3+离子之间交叉驰豫的几率，从而导致1.06μm处的荧光猝灭。因而，可通过掺入无光学活性的三价调剂离子R3+来形成新的[Nd3+-R3+]格位，从而起到打破[Nd3+-Nd3+]团簇的作用。本专利技术中，在此基础上向MeF2晶体中掺入多种类型的调剂离子R3+(例如，Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+、Sc3+中的至少两种，可依次计为R13+、R23+、R33+……)，从而在晶体中形成[Nd3+-R13+]、[Nd3+-R23+][Nd3+-R13+]、[Nd3+-R23+]、[Nd3+-R33+]等多种发光中心。这几种发光中心在晶体中共同发挥作用，从而可以形成一种“组合效应”，能够实现对晶体光谱性能与荧光寿命的可控调控，可以获得更加平滑的发射光谱以及更宽的发射带宽。较佳的，Nd3+的掺杂浓度为0.1at％～1.0at％；R3+的掺杂浓度为0.5at％～10.0at％。又，较佳的，当R3+选自Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+、Sc3+中的两种时，每种R3+的掺杂浓度为0.5at％～10.0at％；优选地，R3+的总掺杂浓度为5at％。又，较佳的，当R3+选自Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+、Sc3+中的三种时，每种R3+的掺杂浓度为0.5at％～10.0at％；；优选地，R3+的总掺杂浓度为5at％。另一方面，本专利技术还提供了一种上述的掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体的制备方法，根据化学计量配比称取原料NdF3、RF3和MeF2，采用温度梯度法生长所述掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体。较佳的，所述温度梯度法的参数包括：真空度≤10-3Pa；化料温度1400～1500℃；晶体生长时的降温速率为1～5℃/小时；生长结束后的降温速率为10～30℃/小时。又，较佳的，所述温度梯度法的参数还包括晶体生长时间为100～300小时。较佳的，原料中还加入0.5～2wt％的PbF2用作除氧剂。较佳的，所述温度梯度法的生长过程中采用石墨多孔坩埚。有益效果：本专利技术中，所制备的碱土金属氟化物晶体材料，由于掺杂了多种调剂离子，所形成的多种发光中心能够产生一种“组合效应”，从而能够实现对光谱性能以及荧光寿命的可控调控，同时可以得到更加平滑的发射光谱，这非常有利于超快激光的输出。附图说明图1为实施例1制备的0.5％Nd,2.5％Y,2.5％Gd:CaF2晶体与0.5％Nd,5％Y:CaF2晶体、0.5％Nd,5％Gd:CaF2晶体的室温发射光谱对比图；图2为实施例2制备的0.5％Nd,2.5％Lu,2.5％Gd:CaF2晶体与0.5％Nd,5％Lu:CaF2晶体、0.5％Nd,5％Gd:CaF2晶体的室温发射光谱对比图；图3为实施例3制备的0.5％Nd,2.5％Lu,2.5％La:CaF2晶体与0.5％Nd,5％Lu:CaF2晶体、0.5％Nd,5％La:CaF2晶体的室温发射光谱对比图；图4为实施例1制备的0.5％Nd,2.5％Y,2.5％Gd:CaF2晶体与0.5％Nd,5％Y:CaF2晶体、0.5％Nd,5％Gd:CaF2晶体的荧光衰减曲线对比图。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本公开中，通过共掺多种类型的调剂离子制备三掺的Nd3+,R13+,R23+:MeF2、和四掺的Nd3+,R13+,R23+,R33+:MeF2晶体(R13+，R23+，R33+＝Y，La，Gd，Lu，Sc中3种不同的调剂离子)，利用不同种类调剂离子在晶体中形成不同的发光中心，从而产生一种光谱“组合效应”，以实现对晶体光谱性能与荧光寿命的可控(即，实现调控对其吸收与发射光谱以及荧光寿命的调控)，获得更加平滑的发射光谱(即，获得荧光带宽更宽、谱型更平滑的近平顶光输出)，更有利于超快激光输出的光谱。在可选的实施方式中，Nd3+的掺杂浓度可为0.1at％～1.0at％。在可选的实施方式中，R13+、R23+的共掺杂浓度可为0.5at％～10.0at％。两种调剂离子的组合可以实现对光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体，其特征在于，所述掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体的化学式为Nd

【技术特征摘要】
1.一种掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体，其特征在于，所述掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体的化学式为Nd3+,R3+:MeF2；其中，Me为Ca、Sr、Ba中的一种，R3+为Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+、Sc3+中的至少两种。


2.根据权利要求1所述掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体，其特征在于，Nd3+的掺杂浓度为0.1at%～1.0at%；R3+的掺杂浓度为0.5at%～10.0at%。


3.根据权利要求2所述掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体，其特征在于，当R3+选自Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+、Sc3+中的两种时，每种R3+的掺杂浓度为0.5at%～10.0at%。


4.根据权利要求2所述掺杂有多种三价调剂离子的碱土金属氟化物激光晶体，其特征在于，当R3+选自Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+、Sc3+中的三种时，每种R3+的掺杂浓度为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：苏良碧，李晓辉，张振，姜大朋，吴庆辉，张中晗，刘荣荣，王静雅，钱小波，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31