一种钕离子掺杂氟化物激光晶体制造技术

本发明专利技术涉及一种钕离子掺杂氟化物激光晶体，所述氟化物激光晶体-MeF2中还掺杂有与所述钕离子Nd3+共掺的一价态阳离子M+。本发明专利技术在Nd:MeF2晶体中通过共掺一价态的阳离子M+，在保持其宽带发射光谱特性的前提下，降低Nd离子的荧光猝灭效应，提高荧光寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于人工晶体和激光材料领域，具体地涉及到一种新的激光晶体材料。
技术介绍
激光科学技术经过半个世纪的发展，超强、超短脉冲激光是其发展前沿。超强、超短激光为人类开展科学研究提供了全新的实验手段与极端的物理条件，推动着物理、化学、 生物、材料等多个自然基础科学向更深层次发展，以及信息科学技术的进步。当前，超强超短激光技术正在向新一代、全LD泵浦方式发展，所采用的激光介质主要是掺Nd玻璃和掺朴晶体。其中Jb3+离子的4f13电子轨道与晶场耦合作用强，即使在单晶体中也能形成宽的吸收和发射光谱。但是, 3+离子的激光运转是典型的三能级系统，激光下能级因粒子热布居而形成高的激光阈值，激光输出性能具有强的温度依赖性。必须把激光介质冷却到低温 (< 100K)，才能实现％3+离子的四能级激光运转。这就极大地增加了激光器结构的复杂性，特别是不利于小型化、便携式飞秒激光器的发展。相对于离子，Nd3+离子1.06 μ m激光运转室温下的能级结构为四能级系统，阈值低、激光稳定性和光束质量受温度影响小；而且，所需要的发射波长800-810nm的LD泵浦源价格便宜，且发射波长在800-810nm范围内可选，不需要通过温度控制实现与激光晶体的吸收带匹配。但是，Nd3+离子4f3电子轨道与晶场的耦合作用较弱，吸收和发射光谱相对较窄，必须掺杂于无序结构的玻璃介质中，通过非均勻加宽效应后，才能适用于超快激光输出。例如，意大利科学家Agnesi等采用Nd硅酸盐玻璃实现了 LD泵浦的SOfs超快激光输出。特别是，这一激光系统没有三能级系统的％超快激光器中必须采用的对LD泵浦源和激光介质进行温度控制的水冷设备。但是，玻璃介质差的热学性质将制约其实用化，特别是无法适用于高重频工作的超快激光运转，使得四能级系统的Nd离子与三能级系统的％离子在超快激光领域的竞争中处于劣势。因此，探索在热导率高的晶体基质中实现Nd3+离子的宽光谱有望解决其在全LD泵浦超强超短激光领域的应用瓶颈。由于特殊的晶体结构，Nd3+离子掺杂的二价阴离子氟化物晶体(MeF2，Me = Ca, Sr，Ba, Cd，Pb等)往往具有宽带吸收和发射光谱，但是由于Nd3+在这类晶体中特别容易形成团簇结构，导致强烈的荧光猝灭效应而无法获得有实际意义的激光输出。本专利技术专利就是通过共掺一价态的阳离子，在获得近红外波段宽带发射光谱的同时，降低具有宽带发光谱的掺Nd氟化物晶体的荧光猝灭效应，提高其荧光寿命。
技术实现思路
Nd离子是激光材料中最常用的激活离子之一，可采用LD泵浦，其四能级结构具有低的激光阈值、高激光效率，等等。但是，Nd离子掺杂的激光晶体因为具有窄线宽的发射光谱而不能实现LD泵浦的飞秒激光输出。本专利技术即是在单晶体中实现Nd离子的宽带发射光谱，同时具有长的荧光寿命(ms量级)。本专利技术提供一种钕离子掺杂氟化物激光晶体，在氟化物激光晶体-MeF2中还掺杂有作为与所述钕离子Nd3+共掺的一价态阳离子M+。本专利技术采用二价阴离子氟化物晶体MeF2作为Nd3+的基质晶体。这类晶体具有类似于Nd玻璃的宽带发射光谱，但是Nd3+特别容易形成团簇结构，导致强烈的荧光猝灭效应而无法获得有实际意义的激光输出。本专利技术在NchMeF2晶体中通过共掺一价态的阳离子M+， 在保持其宽带发射光谱特性的前提下，降低Nd离子的荧光猝灭效应，提高荧光寿命。本专利技术的氟化物激光晶体采用钕离子Nd3+和一价阳离子M+共掺，可以在晶格中形成一种新的格位结构对。这能够更加丰富体系的格位结构，促进光谱的进一步非均勻展宽。众所周知，当三价的稀土离子Nd3+掺入到MeF2晶体中取代Me2+格位时，晶格中会形成间隙F—离子(F])以达到电荷平衡。当F]位于Nd3+的最邻近间隙位置，形成的格位对称性为C4v ；当F]位于Nd3+的次最邻近间隙位置，形成的格位对称性为C3v ；当F]位于远离Nd3+的间隙位置，形成的格位对称性为Oh ；以及由两个或两个以上的Nd3+离子处于最近邻格位形成的团簇结构。可以通过控制Nd3+的种类和掺杂浓度来调控不同对称性局域配位结构的形成。本专利技术采用钕离子Nd3+和一价阳离子M+共掺，可以在晶格中形成一种新的格位结构对。一价阳离子M+作为共掺缓冲离子，它能够打破n团簇，并有效阻止n团簇的形成。本专利技术的氟化物激光晶体-MeF2,其中Me主要是Ca，Sr，Ba，Cd，1 等。钕离子Nd3+ 的掺杂浓度优选为0. 2at% -5. Oat %。作为共掺缓冲离子的一价态的阳离子M+，其中M主要是Na、K、Rb、Ag等。一价态阳离子M+的掺杂浓度优选为0. Iat % -10. Oat %。作为共掺缓冲离子的一价态的阳离子M+，它能够打破n团簇，并有效阻止n团簇的形成。在采用二价阴离子氟化物晶体MeF2作为Nd3+的基质晶体中， 三价Nd3+离子取代基质晶体中二价Me2+离子，由于系统电荷不平衡会形成间隙&来平衡电荷，一价M+的共掺会有效避免间隙Fl的形成，由于形成间隙Fl所造成的晶格畸变远远大于掺杂阳离子取代基质阳离子所造成的晶格畸变，所以一价阳离子M+共掺能够有效保证晶体晶格完整性和晶体质量。此外，一价阳离子M+共掺还可以在晶格中形成一种新的格位结构对，更加丰富体系的格位结构，促进光谱的进一步非均勻展宽。本专利技术还提供一种制备本专利技术所述的氟化物激光晶体的制备方法，包括将原料 NdF3, MF和MeF2按照摩尔比0. 002 0. 05 0. 001 0. 1 1进行配料，并加入量为MeF2 的0-2wt %的I^bF2,采用熔体法于坩埚内生长得到具有钕离子Nd3+和一价阳离子M+共掺的 Nd，MiMeF2单晶体。其中，优选地PbF2的加入量为CaF2的0. 2-1. Owt% 上述钕离子(Nd3+)和一价阳离子(M+)共掺的氟化物(MeF2)激光晶体，其生长方法可以为提拉法或温梯法或坩埚下降法。对于提拉法，坩埚材料为铱，籽晶采用经X射线衍射仪精确定向端面法线方向为的MeF2单晶棒，晶体生长在高纯Ar气氛或含氟气氛(CF4 或HF)中进行。对于坩埚下降法或温度梯度法，坩埚材料采用高纯石墨，坩埚底部可以不放籽晶，或放入经X射线衍射仪精确定向端面法线方向为的MeF2单晶棒，晶体生长在高真空或高纯Ar气氛或含氟气氛(CF4或HF)中进行。CN 102534776 ANd3+离子掺杂的二价阴离子氟化物晶体(MeF2, Me = Ca, Sr, Ba, Cd, Pb等)往往具有宽带吸收和发射光谱，但是Nd3+在这类晶体中特别容易形成团簇结构，本专利技术通过使一价态的阳离子M+与Nd3+离子共掺，在获得近红外波段宽带发射光谱的同时，能够降低具有宽带发光谱的掺Nd氟化物晶体的荧光猝灭效应，提高其荧光寿命。附图说明图1为本专利技术的一个示例实施例中由温梯法生长的Nd3+，Na+:CaF2晶体的照片；图 2为由本专利技术的一个示例实施例中由坩埚下降法生长的Nd3+，Na+ICaF2晶体的照片；图3为 808nm LD泵浦Nd3+，Na+: CaF2晶体室温发射光谱；图4为Nd3+，Na+ICaF2晶体室温下1060nm的荧光衰减曲线。具体实施例方式参照说明书附图，并结合下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，说明书本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏良碧，李红军，徐军，王庆国，郑丽和，钱国兴，姜大朋，唐慧丽，
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：