专利名称：掺钕钼酸镥钠激光晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及光电子功能材料技术领域，尤其是涉及一种适合AlGaAs 二极管激光器泵浦的固态激光器工作物质的激光晶体材料。
背景技术：
自1960年美国的梅曼(T. H. Maiman)在实验室中用人造红宝石晶体发明了世界上第一台激光器以来，全固态激光器得到了飞速的发展。而1961年首次在CaF2 = Sm3+晶体中实现的激光输出揭开了大力研究三价稀土离子作为受激发射的激活离子固态激光晶体的序幕。到二十世纪80年代中期，随着半导体二极管的迅猛发展，利用其优异性能研制的二极管激光器(LD)作为新型泵浦源来替代传统的闪光灯作为泵浦源也被广泛的引入到激光器中，从而大大提高了激光器的输出效率，促进了激光技术的飞速发展。LD泵浦激光器是指利用激光二极管作为泵浦源来激励激光晶体，产生激光振荡。这种新型的泵浦源的优点·在于[I] LD具有高得多的光谱和空间亮度、高的光电转换效率、长的寿命和输出辐射在时间波形上有更大的灵活性。[2]目前LD的发光波长己经从紫色延伸到中红外，作为泵浦源的AlGaAs，AlGaIn和InGaAs激光二极管的发射峰分别处于797 810 nm, 670^690 nm和900 1100 nm，这些范围覆盖了 Nd3+等多种三价稀土离子的主要吸收带，吸收效率较高，避免了过多的热损耗。[3] LD泵浦源对激光晶体的尺寸要求相对于闪光灯泵浦源要小的多，放宽了晶体生长尺寸的要求，相对更容易获得可以用于研制激光器的介质晶体。而且，小尺寸的晶体介质可以减少泵浦时的高能量存储和随之而来的激光晶体内在的热能，从而减少了激光器的热负荷。目前，LD泵浦源已成为激光器研制中最常用最主要的泵浦源。为了充分利用和发挥LD泵浦源的优势，就需要获得与其相匹配的优质激光晶体。主要要求在于[I]激光晶体要有较宽的吸收带。这是由于LD的半峰宽为疒3 nm，波长随温度变化率为O. 2^0. 3 nm/°C，所以较宽的吸收带不仅有利于激光晶体对泵浦光的吸收，而且降低了对器件的温度控制的要求。[2]长的荧光寿命(τ )。荧光寿命长的晶体能在上能级积累起更多的粒子，增加了储能能力，有利于器件输出功率或能量的提高。[3]大的发射跃迁截面(σ)。由于脉冲和连续激光阈值分别与ο及ο · τ成反比。故而大的σ更利于实现激光振荡。在当今激光晶体领域，研究最广泛的是钕离子掺杂的激光晶体，该离子在808nm附近的吸收带能够与AlGaAs的发射波长相匹配。目前，最好的、已经广泛应用于激光器的是Nd3+ = YAG晶体，其综合性能较优良，但是也存在一些缺点，例如吸收半峰宽很窄，且生长相对较困难。常见的钕离子掺杂的硼酸盐晶体大多有较好的的物理化学性能，但是却存在难以生长大尺寸优质单晶，量子效率低等缺点。掺钕的二钥酸盐激光晶体是近年来研究得较广泛的一类激光晶体。此类晶体结构简单，原料价格低廉，多数较容易生长，质量较好，在808nm附近的吸收较强，具有较大的吸收截面和发射截面，而且，由于部分晶体里离子的无序性，大大的增加了吸收半峰宽，从而有利于对AlGaAs 二极管激光器发射波长的吸收，降低了对泵浦源稳定性的要求。所以，此类化合物为寻找更多的具有优良性能的Nd3+离子掺杂的激光晶体提供了广泛的探索空间。
发明内容
本发明的目的就在于研制一种新的激光晶体，其具有宽的吸收带，较大吸收发射截面，适合于采用LD泵浦，具有较好的各种综合性能，能够实现较高质量的激光输出。钥酸镥钠(NaLu (MoO4)2)属于四方晶系，具有A空间群结构，是一种很好的激光基
质材料。钕离子作为激光激活离子可掺入晶格中，取代镥离子的晶格位置，其掺杂浓度在 O.5at% 3at%之间。该掺杂晶体的室温荧光寿命(τ )为130 230 μ S，其荧光寿命与钕离子浓度有直接关系，可根据不同的需要掺入不同浓度的钕离子。实验结果表明其在817nm附近的吸收半峰宽达到16nm，远大于商业化生产的钕离子掺杂激光晶体，其吸收截面超过
11X 10 20cm2,这也远大于一般晶体。本发明的技术方案如下具体的化学反应式Na2C03+Lu203+4Mo03=2NaLu (MoO4) 2+C02Na2C03+2Mo03=Na2Mo207+C02所用的原料纯度及厂家
药品名ψΓ^.[T^
UhO399. 99%中国医药集团上海化学试剂公司
Na2CO399. 9%中国医药集团上海化学试剂公司
99. 99%中国医药集团上海化学试剂公司
NdA99. 99%中国医药集团上海化学试剂公司通过实验，我们找到了助熔剂方法生长掺钕钥酸镥钠[Nd3+ = NaLu(MoO4)2]晶体的较理想的助熔剂=Na2Mo2O7及少量的添加剂NaF，并探索出最佳的生长条件，生长出了高质量的Nd3+ = NaLu(MoO4)2晶体(见实施例I和2)。助熔剂方法生长掺钕钥酸镥钠晶体，其主要生长条件如下所用助熔剂为Na2Mo2O7，助熔剂的浓度在6(T80at%之间，另外添加少量的NaF作为添加剂，用量在lat-5at%，生长温度在85(T950°C之间，降温速率为O. 5 I. 5°C /天，晶体转速为5 30rpm。将生长出的Nd3+: NaLu (MoO4) 2晶体，在四圆衍射仪上进行了衍射数据的收集，结构分析表明，其属于四方晶系，沒空间群，具体晶胞参数a=5. 1624A，c=ll. 2397A，V=299. 5422A3，Z=2, Dc=5. 741 g/cm3。
对生长出的Nd3+ = NaLu(MoO4)2晶体，进行吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命等的分析测试。从该晶体的室温下的吸收光谱，可见在40(Tl000nm之间有八个明显的吸收谱带，其最强峰在596nm处,而最让人感兴趣的是峰中心处于817nm的次强吸收带,其正好处于AlGaAs的发射波长处，能很好的匹配，其吸收半峰宽达到16nm，较宽的吸收峰及较大的吸收截面有利于晶体对泵浦光的吸收。对于2. 19at%的Nd3+ = NaLu(MoO4)2晶体，817nm处的吸收截面达到了 11.48X10_2°cm2，其室温下的荧光光谱在1064nm附近呈现出很强的荧光发射，其半峰宽为14nm，发射截面为12. 31X10_2°cm2，荧光寿命为126. 7 μ S。本发明的掺钕钥酸镥钠晶体[Nd3+ = NaLu(MoO4)2]，能够用助熔剂法较快地生长出质量优良的晶体，生长工艺简便，原料易得，机械性能良好，且具有优良的光学特性，能够直接使用LD泵浦等诸多优点，该晶体可作为一种较好的激光晶体。
具体实施例方式下面结合具体实施例，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I :以Na2Mo2O7为助熔剂生长掺杂浓度为O. 5at. % Nd3+的Nd3+: NaLu (MoO4) 2激光晶体。采用助熔剂法，在Φ60Χ50πιπι钼坩锅中，生长原料与助溶剂的摩尔比为NaLu (MoO4) 2: Na2Mo207=2:3 (摩尔比)，惨入 O. 5at% 的 Nd3+ 离子，并加入约 lat% 的 NaF 作为添加剂，用以降低粘度，改善晶体生长环境。晶体生长温度为915 — 865°C,以TC /天的降温速率，10转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为25 X 18 X 9mm3的高质量的Nd3+:NaLu(MoO4)2晶体。经ICP (等离子发射光谱)分析表明晶体中Nd3+离子含量为O. 54 at%。实施例2 以Na2Mo2O7为助熔剂生长掺杂浓度为2. Oat. % Nd3+的Nd3+: NaLu (MoO4) 2激光晶体。采用助熔剂法，在Φ60Χ50πιπι钼坩锅中，生长原料与助溶剂的摩尔比为NaLu (MoO4) 2: Na2Mo2O7=I: 4 (摩尔比)，掺入 2. Oat% 的 Nd3+ 离子，并加入约 2at% 的 NaF 作为添加剂，以降低粘度，改善晶体生长环境。晶体生长温度为895 — 855°C,以I. 5°C /天的降温速率，20转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为23 X 20 X Ilmm3的高质量的Nd3+:NaLu(MoO4)2晶体。经ICP (等离子发射光谱)分析表明晶体中Nd3+离子含量为2. 19 at%。
权利要求
1.一种掺钕钥酸镥钠激光晶体，其特征在于该晶体的分子式为Nd3+ = NaLu(MoO4)2，属于四方晶系，具有M空间群结构，晶胞参数为a=5. 1624A，c= 11. 2397A，V=299. 5422A3，Z=2，Dc=5. 741 g/cm3。
2.如权利要求I所述的掺钕钥酸镥钠激光晶体，其特征在于作为掺杂离子的Nd3+离子其价态为+3价，取代镥离子的晶格位置，其掺杂浓度在O. 5at9T3at%之间。
3.—种权利要求I所述的掺钕钥酸镥钠激光晶体的制备方法，其特征在于该晶体采用助熔剂法生长，所用助熔剂为Na2Mo2O7,浓度在60at 80at%之间，生长温度在85(T950°C之间，降温速率为O. 5^1. 5V /天，晶体转速为5 30rpm。
全文摘要
本发明提供掺钕钼酸镥钠激光晶体及其制备方法。该晶体属于四方晶系，空间群为，晶胞参数为a=5.1624 ，c=11.2397 ，V=299.5422 3，Z=2，Dc=5.741 g/cm3。该晶体可采用助熔剂法生长，以60-80at% Na2Mo2O7为助熔剂，降温速率为0.5-1.5℃/天，转速为5-30转/分钟，生长出了高质量、较大尺寸的Nd3+:NaLu(MoO4)2晶体，其吸收光谱在817nm处呈现出较大的吸收截面，吸收半峰宽达到了16nm, 其发射截面为12.31×10-20cm2，该晶体可望成为一种新的激光晶体，并获得实际应用。
文档编号C30B9/12GK102936751SQ20121040777
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者王国富, 余意, 张莉珍, 黄溢声, 林州斌 申请人:中国科学院福建物质结构研究所