本发明专利技术公开了一种钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体，所述激光晶体MeF2（Me=Ca、Sr、Ba等）中还掺杂有与所述钕离子Nd3+共掺的三价阳离子M3+（M=Y、Sc、La、Gd、Lu等）。本发明专利技术在钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体中通过共掺三价阳离子M3+，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，提高荧光量子效率，并实现发光波长、发射截面和荧光寿命的调控。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于人工激光晶体材料领域，具体地涉及到一种钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体。
技术介绍
稀土离子的光谱发现至今已经一个世纪，Becquerel于1906年在研究矿石的光谱时发现，在一种含稀土和过渡元素的矿石中有一种十分尖锐的谱线，但当时的科学家没有对此引起重视，同时也受到当时工业水平的限制，人们无法对稀土光谱进行深入研究。直到Bohr原子理论、量子力学、Bethe晶体场理论以及Condon Shortley的原子光谱理论之先后，人们才具备了足够的理论基础以指导对各种新型光谱现象的分析。这种锐线型的吸收光谱已被科学家确认是来自稀土离子4f壳层内的禁戒跃迁，同时成为稀土离子光谱的典型特征。在所有稀土离子激光材料其中，Nd3+激光材料的研究经久不衰，对实际生产应用的贡献也是名列前茅，Nd =YAG晶体因具有非常大的发射截面以及良好机械性能而成为一种非常优秀的激光材料；Nd玻璃激光材料由于具有非均匀加宽效应以及可大体积制备的优势，成为大能量激光器的主打配置。但是Nd :YAG发射谱峰非常窄，不利于实现大功率输出，只能用于小型激光器，而Nd玻璃却由于热导率过低以及非线性折射率系数过大等不利因素，使得在重大激光工程，比如激光核聚变点火工程的应用中制造了不可避免的瓶颈。Nd氟化物晶体材料(MeF2, Me=Ca, Sr、Ba等)，在新时代的背景下却迸发出新的生命力，使人们看到了将大尺寸生长、宽光谱发射、高热导率、低非线性折射率系数以及大的发射截面这些优点完美统一的希望。实际上，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，一般需要掺杂于无序结构的玻璃介质中，通过非均匀加宽效应后，才能适用于超快激光输出，用于大型激光工程 。由于特殊的晶体结构，Nd3+离子掺杂的二价阳离子氟化物晶体(MeF2, Me=Ca, Sr、Ba等)往往也具有宽带吸收和发射光谱，同时二价阳离子氟化物晶体(MeF2, Me=Ca, Sr、Ba等)在热导率、非线性折射率系数方面具有先天优势，有望获得比玻璃基质更好的应用。然而，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三价态的阳离子，在获得近红外波段宽带发射光谱的同时，抑制具有宽带发光谱的掺Nd氟化物晶体的荧光猝灭效应，提高量子效率，同时还可调节Nd3+局域配位结构，实现发光波长、荧光寿命、发射截面的调控。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体易形成团簇结构，导致荧光猝灭效应的技术问题，目的在于提供一种新的钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体。钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体MeF2 (Me=Ca, Sr、Ba等)中实现Nd离子的宽带发射光谱，提高荧光寿命和荧光量子效率，同时实现对发光波长、荧光寿命(I(TlO2 μ S)和发射截面(1. 5 3. 8 X IO-20Cm2)的调控。本专利技术的钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体中还掺杂有作为与所述钕离子Nd3+共掺的三价阳离子M3+ (本专利技术的激光晶体简写为Nd，M = MeF2);所述二价阳离子氟化物激光晶体具有由所述三价阳离子M3+与所述钕离子Nd3+形成的[Nd3+-n M3+]格位结构，其中n=f5，打破原有[Nd3+-Nd3+]n,灭团簇结构。从而能够更加丰富体系的格位结构，促进光谱的进一步非均匀展宽。本专利技术采用二价阳离子氟化物晶体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。本专利技术在钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体(NdiMeF2)中通过共掺三价阳离子M3+，形成[Nd3+_n M3+]格位结构，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，提高荧光寿命和荧光量子效率，同时调控发光波长和发射截面。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 P以达到电荷平衡。当F —丨位于Nd3+的最邻近间隙位置，形成的格位对称性为C4v ；^F _i位于Nd3+的次最邻近间隙位置，形成的格位对称性为C3v ；^F I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。Nd3+掺杂浓度的不同可形成不同的对称性局域配位结构。本专利技术采用钕离子Nd3+和三价阳离子M3+共掺，可以在晶格中形成一种新的[Nd3+-nM3+]格位结构(n=f5)。三价阳离子M3+作为共掺缓冲离子，它能够打破[Nd3+-Nd3+]n团簇，并有效阻止[Nd3+-Nd3+]n团簇的形成。其中，所述二价阳 离子氟化物激光晶体的二价阳离子为Ca、Sr和/或Ba等。所述三价阳离子M3+为Y3+、Sc3+、La3+、Gd3+和/或Lu3+等。所述钕离子Nd3+的掺杂浓度为O. lat%-5. 0at% ;所述三价阳离子M3+的掺杂浓度为O. lat%_30. 0at%o本专利技术的另一目的在于提供一种制备本专利技术的钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体的方法，该方法为将原料NdF3, MFjP MeF2按照摩尔比O. OOf O. 05:0. OOf O. 3 I进行配料，并加入量为MeF2的O. 1_2被％的PbF2，采用熔体法于坩埚内生长三价阳离子与钕离子共掺的二价阳离子氟化物激光晶体，其中，Me为二价阳离子，M为三价阳离子。PbF2 的加入量优选为 MeF2 的 O. 2-1. 0wt%。方法一为钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体的生长方法为提拉法，所述坩埚的材料为铱，籽晶采用经X射线衍射仪定向端面法线方向为[111]的MeF2单晶棒，晶体生长在高纯Ar气氛或含氟气氛如CF4或HF中进行。方法二为钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体的生长方法为温度梯度法，所述坩埚的材料为高纯石墨，坩埚底部不放籽晶或放入经X射线衍射仪定向端面法线方向为[111]的MeF2单晶棒，晶体生长在高真空度下或高纯Ar气氛中进行。方法三为钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体的生长方法为坩埚下降法，并选择所述坩埚的材料为钼金，坩埚底部不放籽晶或放入经X射线衍射仪定向端面法线方向为[111]的MeF2单晶棒，晶体生长在高真空度下或高纯Ar气氛中进行。本专利技术的积极进步效果在于本专利技术通过在二价阳离子氟化物激光晶体中用三价阳离子M3+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 二价阳离子氟化物激光晶体的荧光猝灭效应，提高荧光量子效率，同时调节发光波长、发射截面和荧光寿命。附图说明图1为温度梯度法生长的Nd3+，Y3+ICaF2晶体的照片；图2为坩埚下降法生长的Nd3+，Y3+ISrF2晶体的照片；图3 为 796nm 闪光灯泵浦 l%Nd: CaF2、l%Nd, 2%Y: CaF2 和 l%Nd, 5%Y: CaF2 三种晶体室温归一化发射光谱；图4 为 l%Nd: CaF2, l%Nd, 2%Y: CaF2 和 l%Nd, 5%Y: CaF2 三种晶体室温下 1054nm 的荧光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体，其特征在于，所述二价阳离子氟化物激光晶体中还掺杂有作为与所述钕离子Nd3+共掺的三价阳离子M3+；所述二价阳离子氟化物激光晶体具有由所述三价阳离子M3+与所述钕离子Nd3+形成的[Nd3+?n?M3+]格位结构，其中n=1~5。
【技术特征摘要】
1.一种钕离子掺杂的二价阳离子氟化物激光晶体，其特征在于，所述二价阳离子氟化物激光晶体中还掺杂有作为与所述钕离子Nd3+共掺的三价阳离子M3+;所述二价阳离子氟化物激光晶体具有由所述三价阳离子M3+与所述钕离子Nd3+形成的[Nd3+-n M3+]格位结构，其中n=l 5。2.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，所述二价阳离子氟化物激光晶体的二价阳离子为Ca、Sr和/或Ba。3.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，所述三价阳离子M3+为Y3+、Sc3+、La3+、 Gd3+ 和 / 或 Lu3+。4.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，所述钕离子Nd3+的掺杂浓度为O.lat%_5. 0at%o5.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，所述三价阳离子M3+的掺杂浓度为O.lat%_30. 0at%o6.一种制备权利要求1所述的激光晶体的方法，其特征在于，该方法为将原料NdF3,MF3 和MeF2按照摩尔比O. 001 O. 05:0....
【专利技术属性】
技术研发人员：苏良碧，詹曜宇，李红军，王庆国，钱小波，姜大朋，汪传勇，王静雅，徐军，
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：
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