一种掺钬和镨的钪酸钇3μm波段激光单晶光纤及其制备方法

本发明属于激光材料及其制备，具体涉及一种波段激光单晶光纤及其制备方法，特别涉及一种掺钬和镨的钪酸钇3μm波段激光单晶光纤及其制备方法。

背景技术：

1、随着科技不断发展，激光技术在生活中已经变得随处可见。3μm波段的激光应用广泛，在临床医疗、大气监测、国防军事、光信号通讯等领域都有着不可替代的地位。激光技术的发展不仅关系到百姓的日常生活，也关乎了国家实力，因此对3μm波段激光的进一步研究意义重大。

2、目前3μm波段激光主要可以通过两种手段得到，一种是光参量振荡器(opo)技术，即用成熟的泵浦源激发非线性晶体，获得可调谐的3μm波段激光，但其技术路线过于复杂且成本偏高；第二种技术就是直接泵浦激活离子掺杂的激光晶体获得3μm波段激光输出，相比前者来说，这种方法更直接，控制了激光器的规模大小，便于操作，且能量转化效率更高。

3、er3+、dy3+、ho3+是目前3μm波段激光晶体常用的激活离子。er3+离子因为有匹配的商业化高功率半导体激光器(ld)，所以在国内外研究比较早且相对成熟，但er3+离子要求高浓度掺杂以抑制其自终止效应，不利于产生超快激光，而且er3+离子发光波长短于2.85μm，处于水分子强吸收区域，限制了脉冲宽度和峰值功率的实现；dy3+离子被高功率激光泵浦源所限制，且其存在交叉弛豫和激发态吸收等能量损耗的问题，因此国内外的研究进展缓慢；相比来说，ho3+的4f壳层内电子数为偶数，在不同晶体场中的stark能级数不同，受晶场的影响相对较大，所以ho3+离子掺杂的激光晶体在3μm波段范围内的荧光光谱为“平滑”宽带谱，易实现超快激光输出，且ho3+离子在1150nm附近有强烈的吸收峰，刚好匹配近年来发展越发成熟的1150nm拉曼光纤激光器。ho3+的波长进一步向红外方向拓展，能够满足中红外波段更长波长应用的需求，也符合激光向更长波段方向发展的趋势。通过共掺pr3+离子可以削减ho3+离子3μm下能级寿命，有效抑制其3μm波段发射的自终止效应。

4、目前已报道的ho3+离子掺杂3μm波段的激光晶体中，zblan、lulif4、ylif4等氟化物都已经实现了激光输出，但是氟化物的热学性能较差，限制了激光器向高功率方向进一步发展。相对来说倍半氧化物如lu2o3、sc2o3、y2o3等拥有更好的热导率和热膨胀系数，但其过高的熔点大大限制了此类晶体的发展。最新的研究表明，倍半氧化物的混晶如ysco3具有相对较低的声子能量(400cm-1)，这种低声子能量能有效降低多声子弛豫引起的非辐射跃迁，这可以大大提高激光的输出效率。其物化性能也很优秀，并且无序性较高，有利于实现晶体的宽增益光谱和超快激光。但是ysco3的熔点很高，约2150左右摄氏度的熔点也意味着生长这种晶体的条件极为严苛。甚至生长晶体通常所用的铱金坩埚也不能承受其高熔点，通常生长ysco3晶体所用的铱金坩埚更是造价昂贵，大大限制了ysco3晶体的研究和发展。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种掺钬和镨的钪酸钇3μm波段激光单晶光纤及其制备方法，该方法工艺简单，可降低生产成本，能够生长出高质量的ho2xpr2yy1-x-ysc1-x-yo3单晶光纤；所制备得到的ho2xpr2yy1-x-ysc1-x-yo3单晶光纤可兼具玻璃与晶体的优势，适合于超短脉冲产生和放大。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种掺钬和镨的钪酸钇3μm波段激光单晶光纤，所述单晶光纤的化学式为ho2xpr2yy1-x-ysc1-x-yo3，式中，x为ho3+掺杂y3+和sc3+的原子百分含量，y为pr3+掺杂y3+和sc3+的原子百分含量，0.5at％≤x≤1at％，0.05at％≤y≤0.1at％。

3、优选的，所述单晶光纤属于立方晶系，空间群为pamn，单晶光纤直径为0.4～0.5mm，长度为10～150mm。

4、本发明还提供了一种上述掺钬和镨的钪酸钇3μm波段激光单晶光纤的制备方法，采用激光加热基座法，具体包括以下步骤：

5、(1)以纯度均为99.99％的ho2o3粉末、y2o3粉末、sc2o3粉末、pr6o11粉末为原料，按分子式ho2xpr2yy1-x-ysc1-x-yo3中对应元素的化学计量比称取各原料，式中，x为ho3+掺杂y3+和sc3+的原子百分含量，y为pr3+掺杂y3+和sc3+的原子百分含量，0.5at％≤x≤1at％，0.05at％≤y≤0.1at％。

6、(2)将称取的各原料粉末混合均匀后压成条状，塑性封装并通过冷等静压机在80～200mpa下压制160～200s成形制成条状料胚；

7、(3)将条状料胚在马弗炉中进行烧结成相后得到陶瓷棒，烧结温度为1500～1700℃，烧结时间为15～20h，将陶瓷棒按照规格进行切割后，室温下干燥4～8h后得到源棒；

8、(4)清洁晶体生长的激光基底加热炉炉腔以及光学系统中的反射锥面镜、环形平面反射镜和聚焦镜，调制光路均匀；将制备好的源棒固定于下方馈送装置上，将制备好的籽晶固定于上方提拉装置上；所述制备好的籽晶即采用步骤(1)中称取的各原料粉末通过微下拉法生长得到的具有方向的晶棒；

9、(5)打开co2激光器，调整激光的焦点落在源棒的中心，源棒顶部熔融成半球状熔体，调节籽晶位置使籽晶与半球状熔体接触且位于半球状熔体中心，然后将籽晶缓慢接触半球状熔体，保温至少2min使熔区达到稳定后，通过提拉装置开始提拉籽晶和和开启馈送装置上升源棒，依次经过收颈、放肩及等径生长后，当生长出的晶体达到所需尺寸时，关闭馈送装置，逐渐升高功率，增大提拉装置拉速，将晶体提脱；

10、(6)晶体提脱后，以0.02-0.05w/s的速率降低激光器功率，关闭co2激光器后，通流动空气，5-15min后打开晶体生长的炉腔，取下晶体，得到ho2xpr2yy1-x-ysc1-x-yo3单晶光纤。

11、优选的，步骤(3)中，源棒的横截面为(0.6～2)×(0.6～2)mm2、长度为40～120mm。

12、优选的，步骤(4)中，制备好的籽晶的横截面为(0.6～1)×(0.6～1)mm2、长度为40～120mm。

13、优选的，步骤(5)中，激光加热源棒中心的功率为40～65w，加热时间为3～5min。

14、优选的，步骤(5)中，所述等径生长的参数包括：提拉速度为5～20mm/h；馈送速度为3～15mm/h；保持激光中心的功率为20～45w；生长时间为2～6h。

15、优选的，步骤(5)中，升高功率比等径生长功率高出3～8w。

16、进一步的，步骤(6)中，将晶体取出后再放入马弗炉中于1500℃下高温退火24h。

17、与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：

18、(1)本发明所制备的ho2xpr2yy1-x-ysc1-x-yo3单晶光纤，具有玻璃光纤高比表面积、光波导的特性，又具有单晶块体材料优异的热导率、高硬度、光学性能优良、耐腐蚀等理化性能，综合了单晶优良的光学、热学性能与光纤独特的尺寸优势；

19、(2)本发明采用激光加热基座法制备ho2xpr2yy1-x-ysc1-x-yo3单晶光纤，该方法生长速度快、不需要用到坩埚容器、可以轻松生长超过2000℃的高温晶体，很适合生长ysco3这类型的高熔点晶体，并且大大减少了晶体生长的周期和成本；

20、(3)本发明由于钪酸钇晶体是氧化物晶体，具有比氟化物晶体及其他陶瓷或者光纤更优的物化性能，有利于激光高功率的输出，并且钪酸钇晶体具有局部无序结构，这种结构非常有利于光谱的展宽。