一种镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体及其生长方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体及其生长方法与应用。该超快激光晶体的化学式为Pr

【技术实现步骤摘要】
一种镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体及其生长方法与应用


[0001]本专利技术涉及激光材料
，具体涉及一种镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体及其生长方法与应用。

技术介绍

[0002]可见光波段激光在显示、通讯、钠信标、生物医学、原子光钟、高端制造等领域具有重大应用需求。高效蓝光泵浦源的出现(如InGaN激光二极管和倍频光泵浦半导体激光器(2ω
‑
OPSL))极大地推动了稀土离子掺杂介质可见光波段激光输出的发展。目前，可见光稀土离子主要集中在Pr
3+
、Dy
3+
、Tb
3+
和Sm
3+
等。其中，Pr
3+
离子在445nm、468nm和486nm处吸收截面达到10
‑
19
cm2量级，3P0上能级的荧光寿命约为几十微秒，其中445nm处的吸收峰与InGaN激光二极管泵浦源的发射波长非常吻合，468nm处的吸收峰与2ω
‑
OPSLs泵浦源的发射波长非常吻合。相比于其他的稀土离子，Pr
3+
拥有大量的辐射跃迁，发光范围几乎覆盖了可见光波段的红光、橙光、绿光、蓝光。Pr:LiYF4全固态连续激光输出已近10W，最高激光输出斜效率高达60％,639nm波段的Pr:LiYF4率先获得了实际应用。因此，Pr
3+
掺杂激光材料是目前最有潜力的可见光波段激光材料。
[0003]超快脉冲激光具有超短响应时间、较高峰值功率等特点，显而易见是可见光波段激光下一步发展重点。Ruan S等首次报道了Pr:LiYF4波长为639nm的克尔透镜锁模实验，采用功率为3.3W、波长476nm的氩离子激光器泵浦，获得了20mW、脉冲宽度为50ps的锁模脉冲激光输出，随后又实现了607nm的锁模
[0004]脉冲激光。2016年Yuxia Zhang等报道了Pr:LiGdF4晶体522nm、607nm、639nm、720nm多个波长、高重复频率吉赫兹锁模脉冲激光输出，2019年该团队又以Pr
3+
:LiLuF4晶体为激光增益介质报道了以石墨烯为光调制器件的639nm可见波段45ps超快锁模脉冲激光。同年，山东大学于海浩团队以Pr
3+
:LiLuF4晶体为激光介质，通过LD泵浦，以克尔透镜锁模的方式在604nm波段实现了1.1ps的脉冲激光输出，是目前可见波段最短的脉冲激光输出。2022年，厦门大学蔡志平团队也使用LD泵浦，以Pr:LiYF4为增益介质，首次实现了Pr
3+
离子在近红外915nm波段的飞秒激光输出，脉冲宽度为451fs，平均功率为257mw，重复频率为85.5MHz。到目前为止，Sutherland J M等采用和Tong Y P等相同的腔型设计在Pr:LiYF4中获得平均功率45mW、脉冲宽度为400fs、波长为613nm的激光输出，该实验报道的飞秒激光输出脉冲是目前掺Pr
3+
离子激光晶体获得的可见波段最短脉冲，也是唯一的可见飞秒(fs)脉冲输出。
[0005]根据不确定性原理γ
·
τ≧const(γ为频镨宽度，τ为脉冲宽度)，为了得到更短的激光脉冲，就必须有足够宽的光镨。近十几年来掺Pr
3+
可见光超快激光的研究进展缓慢，其主要原因是用于锁模实验的掺Pr
3+
激光晶体的各个可见光通道荧光光谱普遍较窄(半峰宽FWHM约为0.7
‑
3nm)，因而难以实现LD泵浦全固态飞秒超快激光，这一瓶颈问题也严重制约了可见光波段飞秒激光的商品化进程。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在蓝光二极管的激发下，在可见橙红光及深红光波段表现出非常宽的荧光带，可解决目前镨离子掺杂激光晶体荧光带窄的难题，可加快可见波段全固态飞秒超快激光的研发和应用进程的镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体及其生长方法与应用。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体，该超快激光晶体的化学式为Pr
x
LiM1‑
x
NF6，其中，x的范围为0.003
‑
0.03，M为Mg、Ca、Sr或Ba中的至少一种或两种组合，N为Al、Sc或Ga中的至少一种。
[0009]进一步地，该超快激光晶体的化学式为Pr
x
LiCa1‑
x
AlF6。
[0010]进一步地，该超快激光晶体的化学式为Pr
0.005
LiCa
0.995
AlF6。
[0011]该晶体的化学式为化学式以Pr
x
LiCa1‑
x
AlF6(x的范围为0.003
‑
0.022)晶体为代表。LiCaAlF6晶体属于三斜晶系，除了具有较低的声子能量和较高的5d能级位置，可大大降低由多声子驰豫而引起的无辐射跃迁几率以及5d能级位置偏低引起激光上能级激发态吸收外，晶体还表现出强的晶格场，可以增大能级之间的劈裂。专利技术人注意到，Pr
3+
离子600
‑
640nm发射(峰值波长分别位于607nm和639nm)和700
‑
720nm发射(峰值波长分别位于697nm和720nm)波段分别对应于四个激光跃迁通道3P0→3H6、3P0→3F2和3P0→3F3、3P0→3F4，而且两组下能级3H6和3F2、3F3和3F4能级位置非常相近，如在LiYF4基质中，3H6和3F2以及3F3和3F4能级之间的能级差分别为255cm
‑1和232cm
‑1。这种强场和无序结构基质，通过增大能级间的劈裂，可以实现3H6和3F2、3F3和3F4相近下能级合并和交叠，达到荧光谱线的重迭、非均匀加宽的效果。从而解决现有掺Pr
3+
晶体荧光光谱窄(半峰宽FWHM 0.7
‑
3nm)的关键科学难题，结合可见光波段的飞秒激光技术的研究，有望实现全固态飞秒超快激光输出。
[0012]一种如上所述镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体的生长方法，该方法采用坩埚下降法生长，包括以下步骤：
[0013]按化学计量比称量PrF3、LiF、MF和NF原料，混合均匀，然后装入坩埚；
[0014]将坩埚至于惰性气氛中，升温化料、排杂，然后下降进行生长，生长结束后，降至室温，得到镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体。
[0015]进一步地，所述的惰性气氛为高纯氩气或含氟气氛。
[0016]进一步地，所述的含氟气氛为含CF4或HF的气体。
[0017]进一步地，所述升温的速率为200
‑
300℃/h，升温至820
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体，其特征在于，该超快激光晶体的化学式为Pr
x
LiM1‑
x
NF6，其中，x的范围为0.003
‑
0.03，M为Mg、Ca、Sr或Ba中的至少一种或两种组合，N为Al、Sc或Ga中的至少一种。2.根据权利要求1所述的一种镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体，其特征在于，该超快激光晶体的化学式为Pr
x
LiCa1‑
x
AlF6。3.根据权利要求2所述的一种镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体，其特征在于，该超快激光晶体的化学式为Pr
0.005
LiCa
0.995
AlF6。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述镨离子掺杂的氟铝钙锂型可见波段超快激光晶体的生长方法，其特征在于，该方法采用坩埚下降法生长，包括以下步骤：按化学计量比称量PrF3、LiF、MF和NF原料，混合均匀，然后装入坩埚；将坩埚至于惰性气氛中，升温化料、排杂，然后下降进行生长，生长结束后，降至室温，得到镨离子掺杂的氟铝钙锂型...

【专利技术属性】
技术研发人员：王无敌，徐军，薛艳艳，宋青松，王庆国，吴锋，罗平，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：