专利名称：一种镱激活硼酸钆钙新型超快激光晶体的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光晶体材料领域。
背景技术：
激光科技的最新前沿之一是超快激光。超快即极短的时间尺度，目前激光脉冲最短不过几个飞秒(10 —15秒)，光在I飞秒内仅仅传播O. 3微米。超快激光在激光远距离测距、飞秒化学与物理学、医疗卫生等领域具有重要应用。Yb激活的激光晶体吸收带处于O. 9 I. Ium范围，线宽较宽，能与LD泵浦源有效耦合，在 Iym处产生宽带荧光发射，发射截面大，有利于产生超快激光。与Nd3+激活的激光晶体相比，它还具有以下许多优点(I)能级结构最简单，仅有基态2F7/2和激发态2F5/2，不存在激发态吸收和上转换，光转换效率高；(2)泵浦与激光波长非常接近，量子缺陷低，具有大的本征激光效率，理论上量子效率高达90% ；(3)泵浦与激光上能级非常靠近，无辐射驰豫引起的热负荷低，仅为掺Nd3+材料的三分之一 ；(4)荧光寿命长，为掺Nd3+材料的三倍多，有利于储能；(5)可掺杂较高浓度。因此Yb激活的激光晶体是 Iym波段理想的可调谐短脉冲飞秒激光介质。事实上也得到了证明，例如2009年F. Hoos等采用LD泵浦Yb:KGff晶体，实现了 5W的飞秒激光输出，激光脉冲宽度为161fs。2002年F. Brunner采用LD泵浦YbiKYff晶体实现了 22w的飞秒激光输出，激光脉冲宽度为240fs。T. Sudmeyer等也在2009年采用LD泵浦Yb = YAG晶体实现了 IOOw的飞秒激光输出，激光脉冲宽度为700fs。Ca3Gd 2(B03)4是一种新型的、潜在的优秀激光基质晶体材料，其结构是属于正交晶系，空间群为 Pnma，晶胞参数为a=7. 163 (2)，b= (2),b=15. 457 (2) A, c=8. 5611V=947. 8(1)A3, Mr=587. 51, Z=2, De=3. 468g/cm3。是同成份熔化的，因此可以采用提拉法生长出高质量、大尺寸的单晶。图I是Ca3Gd2(BO3)4 = Yb3+晶体的紫外一近红外的吸收光谱示意图，从图上可以看到从850 nm到IOOOnm存在着一个宽带吸收峰，峰值波长为980nm，其FWHM是12nm，它与半导体激光泵浦源的发射波长相匹配，有利于进行半导体激光泵浦的激光实验研究。表I中列出了几种Yb3+离子掺杂晶体的吸收光谱特性。与其他晶体相比，Ca3Y2 (BO3)4 = Yb3+晶体具有较大的峰值吸收截面。图2是Ca3Gd2 (BO3)4: Yb3+晶体的荧光光谱示意图，其激发波长为980 nm，从图上可以看到从930 nm到1100.7 nm存在着一个宽带荧光发射峰，峰值波长为1020nm，其半高宽FWHM为72. 6 nm。其相应的发射截面较大(达到10 —2°cm2)。因此，Yb3+ =Ca3Gd 2(BO3)4是一种新型的优秀超短飞秒激光晶体材料。
发明内容
本发明的目的在于公开一种新型飞秒超快激光晶体材料Yb3+ = Ca3Gd2 (BO3)40本发明采用的技术方案如下
所述镱激活硼酸钆钙新型超快激光晶体，该晶体材料的化学式为Yb3+ = Ca3Gd2 (BO3)4,空间群为 Pnma，晶胞参数为a=7. 163 (2),b=15. 457 (2), c=8. 561 lA, V=947. 8 (I) A3,Mr=587. 51, Z=2, Dc=3. 468g/cm3。
所述的镱激活硼酸钆钙新型超快激光晶体的制备方法，其特征在于采用4N的Gd203、Yb2O3与分析纯的H3B03、CaCO3作为原料，通过高温固相反应获得Yb3+: Ca3Gd2 (BO3) 4原料，在常压气氛下采用提拉法生长优质晶体。所述的镱激活硼酸钆钙新型超快激光晶体的用途，该材料用于实现 I. O μ m波段飞秒激光输出，应用于激光远距离测距、飞秒化学与物理学、医疗卫生等领域。
图I为晶体的室温吸收光谱图。图2为晶体的室温荧光发射光谱图。图3为晶体的激光实验装置图。
具体实施例方式实施例一 Yb3+: Ca3Gd2 (BO3)4晶体的生长制备
晶体提拉法生长所用的仪器是D几-400的中频提拉炉，中频电源型号为KGPF25-0. 3-2. 5。采用Pt/Pt-Rh的热电偶和型号为815EPC的欧路表控温。所采用的坩埚是Φ55mmX 30mm的铱坩埚，所用的原料是分析纯的H3BO3, CaCO3和4N级的Gd 203，Yb2O30根据下列化学反应式配制原料
6CaC03+ XYb2O3+ (2-χ) Gd203+8H3B03 2Ca3YbxGd2_x (BO3) 4+6C02+12H20 (X= 0. 05 0· 40)
把原料混合均匀，压成片状，置于钼坩埚中，为了避免由于成803的快速分解带走B2O3成分，使得组分偏离，烧结开始时以50°C/h缓慢升温到500°C，然后再以150°C/h缓慢升温到烧结的预定温度，重复此过程，直至X射线粉末衍射的结果不变为止。把原料装入Φ55mmX30mm的铱坩埚内，为了避免铱坩埚的氧化，首先把炉子内的气体抽出，使得炉子内的气压达到10_3Pa，再把O. 04MPa的氮气充入，然后升温到比熔点高50°C的温度，恒温I小时，使得原料熔化完全。然后在钼-铱丝上自然成核结晶，并开始生长。籽晶杆的提拉速率为I. 3 I. 5 mm/h,降温速率为2 10°C/h，籽晶杆的转动速率为12-20r. p. m.，生长结束后，将晶体提离液面，然后以10 30°C/h的速率降至室温，得到尺寸为Φ20 mm X50 mm的透明晶体。实施例二 Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4晶体的激光实验
加工出尺寸为3mmX 3_ X 2mm的优质Yb3+: Ca3Gd2 (BO3) 4晶体器件，采用980nm的LD半导体激光作为泵浦源，进行激光实验。实验装置如附图所示，Z形谐振腔的长度为2700mm。输入M1平面腔镜在1010 nm 1060 nm高反，在泵浦波长980nm高透；M2和M3折叠凹面镜的曲率半径分别为IOOOmm和500mm，在相应的波长处高反。SESAM半导体饱和吸收 镜的饱和吸收系数为I. 2%,透过率为3%。
权利要求
1.一种镱激活硼酸钆钙新型超快激光晶体，其特征在于该晶体材料的化学式为Yb3+ICa3Gd2 (BO3)4,空间群为 Pnma，晶胞参数为a=7. 163 (2), b=15. 457 (2), c=8. 561lA,V=947. 8(1)A3, Mr=587. 51, Z=2, Dc=3. 468g/cm3。
2.—种权利要求I的镱激活硼酸钆钙新型超快激光晶体的用途，其特征在于该材料用于实现 I. O μ m波段飞秒激光输出，应用于激光远距离测距、飞秒化学与物理学、医疗卫生等领域。
全文摘要
一种镱激活硼酸钆钙新型超快激光晶体，涉及激光晶体材料领域。该晶体材料的化学式为Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4，空间群为Pnma，晶胞参数为a=7.163(2)，b=15.457(2)，c=8.5611 ，V=947.8(1) 3，Mr=587.51，Z=2，Dc=3.468g/cm3。其特征在于采用4N的Gd2O3、Yb2O3与分析纯的H3BO3、CaCO3作为原料，通过高温固相反应获得Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4原料，在常压气氛下采用提拉法生长优质晶体。该材料用于实现～1.0μm波段飞秒激光输出，应用于激光远距离测距、飞秒化学与物理学、医疗卫生等领域。
文档编号H01S3/16GK102965730SQ20111025749
公开日2013年3月13日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者涂朝阳, 王燕, 游振宇, 李坚富, 朱昭捷 申请人:中国科学院福建物质结构研究所