专利名称：镱钆共掺氟化钡晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及光电子功能材料，尤其是一种镱钆共掺氟化钡晶体及其制备方法，并应用在全固态LD泵浦的高重频、高功率、可调谐或超短脉冲激光器中。
背景技术：
激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。采用 半导体激光器泵浦的全固态激光器由于具有体积小、输出功率高、稳定性好、全固化、效率 高、寿命长和光束质量好等特点被广泛研究，其中高功率大能量固体激光器是固体激光器 发展的一个重要方向。它在通讯、医疗、激光显示、激光核聚变、科研、军工等领域具有极其 广泛的应用。yb3+离子为能级结构最简单的激活离子，电子构形为[Xe]4f13，仅有两个电子态， 基态2F7/2和激发态2F5/2，相隔大约lOOOOcnT1，更高的激发态在5d构型内，与2F5/2相距约 lOOOOOcm—1，在紫外波段。在晶场作用下，基态能级和激发态能级分别分裂为4个和3个 stark子能级，从而形成准三能级的激光运行机制；Yb3+具有不存在激发态吸收、无上转换、 可实现高掺杂浓度、量子效率高和荧光寿命长等优点而用作高能量激光材料的激活离子。 目前被广泛应用的Yb:YAG晶体，由于存在“核心”、自吸收等问题导致激光阈值高，而最近 出现的Yb = CaF2高能量激光材料的吸收和发射截面偏小。因此研究新的掺镱激光材料对发 展高能量激光器具有重要意义。同时国际上新的清洁能源项目惯性聚变能源(Inertial FusionEnergy, IFE)，即 基于惯性约束聚变(ICF)获得洁净的氘氚DT聚变能、并具有商业应用价值的新型能源。目 前用于ICF的灯抽运钕玻璃技术发展起来的单次运行的高峰值功率、高能量固体激光器， 其效率、重复频率不能满足将来的应用需求。因此需要发展新一代激光二极管(LD)泵浦的 高能量固体激光器效率0. 75%提高到15%以上，重复率从KT4Hz提高到IOHz。
发明内容
本发明目的在于提供一种镱钆共掺氟化钡晶体”及其制备方法。该晶体可用于全 固态LD泵浦的高重频、高功率、可调谐或超短脉冲激光器。本发明技术解决方案如下—种镱钆共掺氟化钡晶体，其特点在于该晶体的分子式为YbxGdyBaF2+3x+3y，其中χ 为Yb3+的掺杂浓度，χ = 1 IOmol %，y为Gd3+离子的掺杂浓度，y = 10 30mol %。所述的镱钆共掺氟化钡晶体的制备方法，其特点在于该方法包括下列步骤①初始原料为YbF3、GdF3和BaF2,根据分子式YbxGdyBaF2+3x+3y，选定x、y的取值，按 化学计量比称量原料；②将称取的原料充分混合均勻，烘干并压制成块料；③晶体生长将所述的块料放入钼金或石墨坩埚中，采用BaF2晶体作为籽晶，生长 气氛为空气或者CF4气体，采用熔体法生长。
所述的熔体法为温梯法或坩埚下降法。本发明的“镱钆共掺氟化钡晶体”有望应用于ICF的LD泵浦高效、重频、高功率激光驱动器的激光增益材料。“镱钆共掺氟化钡晶体”具有长的上能级寿命和大的热导率，长 的上能级寿命有利于储能，减少泵浦激光二极管的抽运峰值功率及数量，从而降低单位能 量输出成本；大的热导率有利于激光材料散热，降低系统热管理难度，避免材料失效风险， 减小激光束波前畸变，提高输出光束质量。钆离子的掺入，不仅更有利于晶体生长，还避免 了由于电价补偿而产生的填隙氟离子等点缺陷，同时它引起的晶格畸变将有利于发射截面 和荧光寿命的提高。镱钆共掺氟化钡晶体的密度为5. 2g/cm3，透光波段0. 29-12. 5 μ m，热 导率11.72W/m*k，熔点1354°C。“镱钆共掺氟化钡晶体”具有低的声子能量，在激光泵浦过 程中，由于晶格振动的影响，能级跃迁能量不能完全匹配，需要借助声子辅助。这一过程起 作用的是系统内能量较低的声子能量。对于高能量的氧化物体系，如果能量失配不能通过 吸收或发射一定数量的声子进行补偿，辐射跃迁的几率将会降低，从而使泵浦效率减小。下 面表中列出了 Yb:YAG、Yb = CaF2和“镱钆共掺氟化钡晶体”三种晶体的性能，从表中我们可 以发现，本发明“镱钆共掺氟化钡晶体”具有较大的吸收和发射截面、长荧光寿命和高的热 导率是一种性能优越的高效率、高重频、高功率激光器的激光增益材料。
图1是本发明Ybtl.02Gd0. !BaF2.36晶体室温下吸收光谱图2是本发明Ybtl. 02Gd0. !BaF2.36晶体室温下荧光光谱
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。实施例1 按YbF3、GdF3、BaF2的摩尔比为0.01 0. 1 1进行配料，原料充分混合后，在烘干 箱内经150°C 15小时脱水，然后均勻压制成块。使用直径为30mm，长为150mm的尖底钼金坩 埚中，脱氧剂为聚四氟乙烯。熔料温度960°C，恒温6小时。晶体生长温度梯度设置30°C /cm,以lmm/小时速度下降坩埚，生长结束后以20°C /小时的降温速率冷却到室温。实施例2 在实施例1中，按YbF3、GdF3、BaF2的摩尔比为0.02 0. 1 1进行配料，晶体取出后加工成IOX IOX Imm3的样品进行光谱测试，吸收光谱如附图1所示，荧光光谱如附图2 所示。实施例3 按YbF3、GdF3、BaF2的摩尔比为0.02 0. 2 1进行配料，充分混合后，在烘干箱内 经160°C 10小时脱水，然后均勻压制成块。坩埚使用30*30*180的平底坩埚，用BaF2晶体作 为籽晶，坩埚真空密封，脱氧剂为橡胶，以1. 5mm/小时速度下降坩埚，生长结束后以30°C / 小时的降温速率冷却到室温。实施例4 在实施例3中，按YbF3、GdF3> BaF2的摩尔比为0. 05 0. 2 1进行配料，坩埚使 用30*30*180的平底坩埚，用BaF2晶体作为籽晶，坩埚真空密封，脱氧剂为橡胶，以1. 5mm/ 小时速度下降坩埚，生长结束后以30°C /小时的降温速率冷却到室温。实施例5 用温梯法生长该晶体，将原料YbF3、GdF3、PbF2按摩尔比为0.05 0. 3 1充分混 合，经140°C 18小时脱水后均勻压制成块，放入石墨坩埚中，坩埚底部放置BaF2晶体作为籽 晶，生长气氛为CF4保护气体，坩埚顶部加盖，温度以50°C /小时升至950°C保温10小时后， 以4°C /小时的降温生长晶体，生长结束后以20°C /小时的降温速率冷却到室温。实施例6 在实施例5中，按YbF3、GdF3> BaF2的摩尔比为0. 1 0. 3 1进行配料再充分混
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权利要求
一种镱钆共掺氟化钡晶体，其特征在于该晶体的分子式为YbxGdyBaF2+3x+3y，其中x为Yb3+的掺杂浓度，x＝1～10mol％，y为Gd3+离子的掺杂浓度，y＝10～30mol％。
2.权利要求1所述的镱钆共掺氟化钡晶体的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤①初始原料为YbF3、GdF3和BaF2，根据分子式YbxGdyBaF2+3x+3y，选定x、y的取值，按化学 计量比称量原料；②将称取的原料充分混合均勻，烘干并压制成块料；③晶体生长将所述的块料放入钼金或石墨坩埚中，采用BaF2晶体 作为籽晶，生长气氛为空气或者CF4气体，采用熔体法生长。
3.根据权利要求2所述的所述的镱钆共掺氟化钡晶体的制备方法，其特征在于所述的 熔体法为温梯法或坩埚下降法。
全文摘要
一种镱钆共掺氟化钡晶体及其制备方法，该晶体的分子式为YbxGdyBaF2+3x+3y，其中x为yb3+的掺杂浓度，x＝1～10mol％，y为Gd3+离子的掺杂浓度，y＝10～30mol％。采用熔体法生长。该晶体具有较大的吸收和发射截面、长荧光寿命和高的热导率，是一种高效率、高重频、高功率激光器的激光增益材料，可用于激光二极管泵浦的高重频、高功率、可调谐或超短脉冲激光器。
文档编号C30B29/12GK101864596SQ20101021774
公开日2010年10月20日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者何晓明, 尹继刚, 张连翰, 杭寅, 赵呈春 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所