一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙新型中红外激光晶体及其制备方法和应用，涉及激光晶体材料领域。化学式为CaDy

【技术实现步骤摘要】
一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体及其制备方法和应用
本专利技术涉及无机晶体材料领域，尤其涉及一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体及其制备方法和应用。
技术介绍
2.6~3.1μm中红外波段激光在定向红外对抗、反恐、生物医疗、环境监测、光通讯、强场物理、激光聚变及中远红外(非线性频率转换)基础光源等方面具有重要应用，且伴随相关半导体激光(laserdiode，LD)、固体和光纤激光(含谐振泵浦)泵浦源技术的发展，已然成为激光晶体的四大主流发展方向之一。2012年，一批顶尖科学家对中红外激光的发展状况和趋势等进行了综述，并将其发表在了NaturePhotonics上，其中明确指出中红外激光的发展是激光领域的一个新机遇，势必影响人类社会的发展。对此，我们应该加大研究力度，突破2.6~3.1μm瓶颈，不断创新，开发新型激光材料和器件，推动我国社会迅速发展乃至人类历史的进步。掺杂Dy3+的激光晶体可实现该波段激光的输出，是由于Dy3+在6H13/2态和6H15/2态之间跃迁产生的辐射波长刚好位于2.6~3.1μm范围内。目前已在Dy3+:BaYb2F8实现了~3μm激光输出，输出功率为70mJ，斜率效率为4%。可以看出激光输出的功率和斜效率都很低，难以实现高重频、大功率激光输出，限制了激光器的应用。对激光晶体来说，发射谱越宽，越有利于激光输出。因此探索拓宽荧光发射、调节光谱峰值波长的方法对于得到特定波长的高功效激光输出是至关重要的。近年来，针对展宽发射谱线，使光谱峰值波长不断向中红波方向拓展的研究采取的方法是在基质晶体中共掺入非光学活性离子Al3+、Lu3+、Y3+、Gd3+等，增大晶体无序度，从而引起光谱的非均匀展宽、红移。例如，AndreaArcangeli等人在Nd3+:Gd3Ga5O12晶体中共掺入非光学性活性离子Al3+，发现Al3+的掺入不但可以提高晶体的光学均匀性还可以引起晶体在1和1.3μm波段发射谱的展宽。Y.Wang等人在Nd,Er:Y3Sc2Ga3O12中掺入非光学性活性离子Lu3+，拓宽了Er3+在2.5~3.0μm中红外荧光发射。福建物构所涂朝阳组系统研究了共掺无光学活性离子（Gd3+，Y3+，Sr2+和Ca2+）对Dy3+:LaF3晶体中红外光谱性能的影响，发现共掺不同的无光学活性离子后均会增强Dy3+激活晶体的中红外荧光发射强度和宽度。山东大学H.L.Yu等人系统研究了Yb:LuxSc2-xO3和Yb:LuxY2-xO3(0≤x≤2)晶体，发现无光学性活性离子Lu3+和Y3+的引入使Yb3+在1μm波段的荧光光谱得到了极大的展宽，其宽度分别是Yb:Sc2O3的三倍和Yb:Lu2O3的两倍。针对对于中红外激光晶体材料的迫切需求及研究现状，探索能够实现中红外荧光发射宽化、可调、高增益的新型晶体材料对得到特定波长中红外激光输出是至关重要的。目前，国内外尚未有2.6~3.1μm非光学活性离子Lu3+、Al3+共掺的CaDyxLuyLa(1-x-y)AlzGa3-zO7中红外激光晶体的报道，实验原理示意图如图1所示。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙新型中红外激光晶体及其制备方法，通过镝镥铝的掺杂增大晶体无序度，拓宽中红外发射谱线。激光晶体能够达到实现2.6～3.1μm中红外宽带可调谐全固态激光输出的效果，且能够广泛应用于军事、医疗及科研等领域。为实现上述效果，本专利技术公开了一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体，通过镝、镥、铝三种离子共掺，实现2.6～3.1μm中红外激光输出，激光晶体中，Dy3+离子作为激活离子，实现2.6～3.1μm的荧光输出，对应发光的能级跃迁为Dy3+:6H13/2→6H15/2；Lu3+离子作为非光学活性离子，不但可以起到半径补偿的作用还可以增大晶体的无序度，展宽、红移发光谱线；Al3+离子作为非光学活性离子，有如下作用：①有利于形成混晶局部无序结构，引起晶体无序度的增加，调控Dy3+多发光中心，可以起到拓宽、红移发光谱线的作用，从而得到我们需要的特定波长的宽谱带中红外荧光发射；②可以减少氧化镓的用量从而降低晶体生长过程中氧化镓的挥发，从根源上解决氧化镓挥发严重的问题，以此起到提高晶体质量的目的；③降低成本，因为Ga2O3的价格远高于Al2O3。进一步的，所述激光晶体的化学式为：CaDyxLuyLa(1-x-y)AlzGa3-zO7其中，0<x≤0.05，0≤y≤0.2，0<x+y≤0.2，0≤z≤0.6；所述晶体材料中Dy3+和Lu3+取代晶体中Ca2+/La3+的格位，Al3+取代晶体中Ga3+的格位，Ca2+、Dy3+、Lu3+和La3+随机地分布在由GaO4/AlO4四面体形成层状电负性骨架结构中，具有无序黄长石结构。进一步的，所述激光晶体的吸收光谱中含有一个峰值波长为1280nm附近的特征吸收峰。进一步的，所述激光晶体在1280nm泵浦下的荧光光谱中在中红外波段含有一个2.6～3.1μm之间的宽谱带发射峰。本专利技术还公开了镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体的制备方法，至少包括以下步骤：将含有钙源、镧源、镥源、镓源、铝源和镝源的原料通过高温固相法制备得到所述晶体材料的多晶体。进一步的，还包括如下步骤：采用熔体提拉法生长上述步骤获得的多晶得到所述晶体材料的单晶体。进一步的，所述钙源是纯度为99.98%的CaCO3；所述镧源是4N级的La2O3；所述镥源是4N级的Lu2O3；所述镓源是4N级的Ga2O3；所述铝源是4N级的Al2O3；所述镝源是4N级的Dy2O3；所述原料中钙元素、镝元素、镥元素、镧元素、铝元素、镓元素的摩尔比例为Ca：Dy：Lu：La：Al：Ga=1：x：y：(1-x-y)：z：3-z；其中，0<x≤0.05，0≤y≤0.2，0<x+y≤0.2，0≤z≤0.6。优选地，所述高温固相法包括以下步骤：S1：将原料压成片状，放入刚玉坩埚，置入高温烧结炉中，以不超过200℃/h的升温速率缓慢升温到1000～1100℃，保持不少于6h后，然后升温至1200～1300℃并恒温烧结36～96h，取出样品；S2：重复步骤S1：，直至样品的X射线粉末衍射与标准卡片完全相符为止。优选地，所述熔体提拉法以c轴方向的CaLaGa3O7晶体作为籽晶，籽晶杆的提拉速率为0.7～1.0mm/h，降温速率为1～10℃/h，籽晶杆的转动速率为2～10r.p.m.；生长结束后，缓慢地将晶体提离液面，以3～20℃/h的速率降至室温，得到所述晶体材料的单晶体。作为一种具体的实施方式，所述熔体提拉法包括以下步骤：把多晶体装入铱坩埚内，置于晶体提拉炉内；将晶体提拉炉抽真空后充入保护气，然后升温至比熔点高30～50℃的温度，恒温半小时，使原料完全熔化。以c切方向的CaLaGa3O7晶体作为籽晶，在生长过程中籽晶杆的提拉速率为0.7～1.0mm/h，降温速率为1～100C/h，籽晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体，其特征在于：通过镝、镥、铝三种离子共掺，实现2.6～3.1μm中红外激光输出，其中所述镝作为激活离子，所述镥和铝作为非光学活性离子，增大晶体无序度，使发射谱线展宽、红移。/n

【技术特征摘要】
1.一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体，其特征在于：通过镝、镥、铝三种离子共掺，实现2.6～3.1μm中红外激光输出，其中所述镝作为激活离子，所述镥和铝作为非光学活性离子，增大晶体无序度，使发射谱线展宽、红移。


2.根据权利要求1所述的一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体，其特征在于：所述激光晶体的化学式为：
CaDyxLuyLa(1-x-y)AlzGa3-zO7
其中，0<x≤0.05，0≤y≤0.2，0<x+y≤0.2，0≤z≤0.6；
所述晶体材料中Dy3+和Lu3+取代晶体中Ca2+/La3+的格位，Al3+取代晶体中Ga3+的格位，Ca2+、Dy3+、Lu3+和La3+随机地分布在由GaO4/AlO4四面体形成层状电负性骨架结构中，具有无序黄长石结构。


3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体，其特征在于：所述激光晶体的吸收光谱中含有一个峰值波长为1280nm附近的特征吸收峰。


4.根据权利要求3所述的一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体，其特征在于：所述激光晶体在1280nm泵浦下的荧光光谱中在中红外波段含有一个2.6～3.1μm之间的宽谱带发射峰。


5.一种权利要求1～4任意一项所述镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体的制备方法，其特征在于至少包括以下步骤：
将含有钙源、镧源、镥源、镓源、铝源和镝源的原料通过高温固相法制备得到所述晶体材料的多晶体。


6.根据权利要求5所述的一种镝镥铝三掺的镓酸镧钙中红外激光晶体...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云云，潘飞，高炬，
申请(专利权)人：枣庄学院，
类型：发明
国别省市：山东;37