一種復合石榴石化合物摻鐿硅鋁酸釔錳的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子功能材料技術領域，特別是涉及作為激光和飛秒激光材料。
【背景技術】
[0002]飛秒激光器是激光領域內重要的技術設備和激光光源，直接應用于精細加工和激光通訊，同時在醫(yī)學、核物理、飛秒脈沖光譜學和高速光通信等領域有著重要的應用。飛秒激光具有獨特的超短脈沖、超強特性，是當今激光前沿技術發(fā)展的重要方向，飛秒激光材料作為產生飛秒激光的核心工作物質，已經成為整個激光技術領域發(fā)展的熱點之一。
[0003]以釔鋁石榴石(Y3A15012)為代表的石榴石材料具有各向同性、高熱導率、高光學質量、優(yōu)異的機械強度和物化性能等特點，經過近50年的研究和發(fā)展，摻鐿釔鋁石榴石(Yb:Y3Al5012)在1微米附近激光輸出方面已經成為十分重要的激光材料和飛秒激光材料。Sadao Uemura等人采用克爾透鏡鎖模技術，以摻鐿乾招石植石晶體作為增益介質成功獲得了脈寬為35fs輸出功率為107mW的脈沖激光；魏志義等人采用半導體可飽和吸收鎖模技術，以摻鐿釔鋁石榴石透明陶瓷作為增益介質同樣成功獲得了脈寬為418fs輸出功率為1.9W的脈沖激光。J.Aus der Au等人在2000年以摻鐿釔鋁石榴石晶體作為增益介質首次采用了薄盤鎖模激光技術，獲得了脈寬為730fs輸出功率高達16.2W的脈沖激光。由于該激光技術可以有效的解決激光媒介的散熱問題，可獲得的飛秒激光輸出功率得到了不斷的提升，因此，薄盤鎖模技術揭開了中高功率飛秒激光輸出的新篇章。2014年德國科學家W.Schneider等人以摻鐿釔鋁石榴石晶體作為增益介質，成功將輸出功率提高到100W以上，脈沖寬度為800fs，至此，摻鐿釔鋁石榴石在薄盤鎖模激光技術上得到了最大限度和最為廣泛的應用。然而，其獲得的脈沖寬度卻被限制在了 700-800fs左右，原因在于摻鐿釔鋁石榴石在1030nm附近發(fā)射峰的半峰寬僅僅只有9nm。眾所周知，越寬的發(fā)射譜帶越有利于獲得更短的脈沖激光，而對于摻鐿釔鋁石榴石來講，尖銳的發(fā)射峰是它成為理想的中高功率飛秒激光材料的致命缺陷。
[0004]無序結構是指晶體中某些格位同時被多種原子占據，這種結構在長程范圍內有序，但部分格位點是無序的。當激活離子摻入具有無序結構的基質晶體中后，如果所替代原子的格位是無序的，則會出現多個發(fā)光中心并產生迭加效應，從而導致其吸收和發(fā)射譜帶展寬。因此，將結構分析與光譜和激光性能相結合，針對摻鐿釔鋁石榴石通過設計和構造無序結構來展寬其摻Yb3+后的吸收和發(fā)射譜帶，從而有望縮短以其作為增益介質所獲得的激光脈寬。
[0005]錳鋁石榴石[Mn3Al2(Si04)3]是一種天然石榴石，它同樣具有高熱導率、優(yōu)異的機械強度和物化性能。由于它和釔鋁石榴石同屬石榴石結構，特征離子(Y3+和Mn2+;4配位Al3+和Si 4+)之間離子半徑十分接近，因此在釔鋁石榴石中摻入適量錳鋁石榴石后可形成一種復合石榴石。且該復合石榴石中出現了金屬陽離子Y3+和Μη2+之間的統(tǒng)計分布，即形成了具有無序結構的復合石榴石，當激活離子Yb3+摻入后，會同時占據Υ3+和Μη2+的位置，出現多個發(fā)光中心，從而展寬其光譜帶寬。展寬后的吸收譜帶將更適合激光二極管直接栗浦，而展寬后的發(fā)射譜帶將有利于輸出更短脈寬的飛秒激光。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于公開一種復合石榴石化合物摻鐿硅鋁酸釔錳，其化學式為YbxY3x yMnyAl5 ySiy012，Yb摻雜含量為0〈x彡1.5，Μη和Si的摻雜含量均為0〈y彡1.5，其相比較摻鐿釔鋁石榴石具有更寬的吸收和發(fā)射帶寬，更加適合激光二極管栗浦，并有利于獲得更短脈寬的中高功率飛秒激光。
[0007]本發(fā)明的技術方案如下:
[0008]具體化學方程式為:
[0009]xYb203+ (3-x-y) Y203+2yMn0+ (5-y) Al203+2ySi02= 2Yb XY3 x yMnyAl5 ySiy012
[0010]其中，Yb摻雜含量為0〈x ( 1.5，Ca和Si的摻雜含量均為0〈y ( 1.5。所用原料及純度為:Yb203(99.99% )、Y203(99.99% ), A1203 (分析純)、Si02(分析純)和 MnO(分析純)。
[0011]摻鐿硅鋁酸釔錳的合成采用高溫固相法，合成環(huán)境為空氣，具體過程如下:初始原料為Yb203、Y203、A1203、S1jP MnO，根據化學方程式按照化學計量比稱取原料；在球磨機中研磨攪拌均勻后壓制成塊料；將塊料置于剛玉杯中后再置于馬弗爐中并升溫至1100-1300°C，恒溫燒結合成10-50個小時；降至室溫取出后重新研磨混合均勻，壓制成塊料后再次置于馬弗爐中并升溫至1300-1500°C ;恒溫燒結合成10-50個小時，降至室溫后取出。
[0012]對摻鐿硅鋁酸釔錳進行了 X射線粉末衍射分析，所得衍射圖譜的峰型和峰位均與ICSD數據庫里釔鋁石榴石純相保持一致，說明所得到的化合物具有和釔鋁石榴石一樣的石榴石結構。對摻鐿硅鋁酸釔錳進行了粉末吸收光譜和發(fā)射光譜測試，結果表明其吸收光譜和發(fā)射光譜相比較摻鐿釔鋁石榴石均出現了展寬現象，而且隨著錳鋁石榴石摻雜含量的增加展寬更加明顯。因此，本發(fā)明中所制備的摻鐿硅鋁酸釔錳有望成為更加適合激光二極管栗浦的中高功率飛秒激光材料，同時還可以較好地解決摻鐿釔鋁石榴石在薄盤鎖模激光應用中的脈沖寬度無法進一步縮短的難點。
【具體實施方式】
[0013]下面結合具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0014]實施例1:
[0015]制備摻鐿硅鋁酸釔錳YbxY3 x yMnyAl5 ySiy012(x = 0.3 ；y = 0.3,0.6,0.9，1.2，1.5)，初始原料為Yb203、Y203、A1203、S1jP MnO，根據化學方程式按照化學計量比分別稱取原料；在球磨機中研磨攪拌均勻后壓制成塊料；將塊料置于剛玉杯中后再置于馬弗爐中并升溫至1100-1300°C，恒溫燒結合成10-50個小時；降至室溫取出后重新研磨混合均勻，壓制成塊料后再次置于馬弗爐中并升溫至1300-1500°C ;恒溫燒結合成10-50個小時，降至室溫后取出。X射線粉末衍射分析表明五種化合物的物相與ICSD數據庫中釔鋁石榴石純相保持一致，說明其具有石榴石結構；粉末吸收光譜分析表明，五種化合物在934nm附近的吸收半峰寬分別為59nm、65nm、68nm、70nm和76nm，在966nm附近的吸收半峰寬分別為25nm、27nm、28nm、30nm和33nm，相比摻鐿乾招石植石在940nm附近18nm的半峰寬和在968nm附近4nm的半峰寬均有明顯的展寬，而且展寬隨著錳鋁石榴石含量的增加而更加明顯；發(fā)射光譜分析表明，五種化合物在1030nm附近的吸收半峰寬分別為13nm、16nm、18nm、21nm和25nm，相比摻鐿釔鋁石榴石榴石在1030nm附近9nm的半峰寬均有明顯的展寬，而且展寬隨著錳鋁石榴石含量的增加而更加明顯。
【主權項】
1.摻鐿硅鋁酸釔錳，其特征在于:化學式為YbJ3 x yMnyAl5 ySiy012，Yb摻雜含量為0〈x ^ 1.5，Mn和Si的摻雜含量均為0〈y ^ 1.5,屬于石植石結構。2.如權利要求1所述的摻鐿硅鋁酸釔錳的用途，其特征在于:該化合物可用于制備成熒光粉、激光陶瓷和激光晶體。3.如權利要求1所述的摻鐿硅鋁酸釔錳的用途，其特征在于:由該化合物制備的熒光粉、激光陶瓷和激光晶體可用于產生連續(xù)激光、可調諧激光和飛秒激光。
【專利摘要】本發(fā)明屬于光電子功能材料技術領域，特別是涉及作為激光和飛秒激光材料，它提供了一種復合石榴石化合物摻鐿硅鋁酸釔錳，化學式為YbxY3-x-yMnyAl5-ySiyO12，Yb摻雜含量為0<x≤1.5，Mn和Si的摻雜含量均為0<y≤1.5。摻鐿硅鋁酸釔錳的合成方法采用高溫固相法，合成環(huán)境為空氣，結構類型屬于石榴石結構，其相比較摻鐿釔鋁石榴石具有更寬的吸收和發(fā)射帶寬，更加適合激光二極管泵浦，并有利于獲得更短脈寬的中高功率飛秒激光。
【IPC分類】H01S3/16, H01S3/0941, H01S3/10
【公開號】CN105281194
【申請?zhí)枴緾N201510824646
【發(fā)明人】孫士家, 林州斌, 黃溢聲, 苑菲菲, 張莉珍
【申請人】中國科學院福建物質結構研究所
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年11月24日