專利名稱：一種自激活激光晶體正釩酸釹鈣及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子功能材料技術(shù)領(lǐng)域中的人工晶體和晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域，尤其是涉及一種作為固態(tài)激光器中的工作物質(zhì)的激光晶體材料。
背景技術(shù)：
固體激光工作物質(zhì)由基質(zhì)材料和激活離子組成，其各種物理和化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)材料決定，而其光譜特性和熒光壽命等則由激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。自1960年研制成功人造紅寶石脈沖激光器以來(lái)，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種激光晶體，但因各種原因，能真正得到實(shí)際應(yīng)用的激光晶體只有十來(lái)種。
目前，應(yīng)用最廣泛的激光晶體是摻釹離子的釔鋁石榴石(YAG)晶體，其具有較好的各種物理和化學(xué)性能，且易于生長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸的優(yōu)質(zhì)晶體。但它存在著吸收譜線窄，不適宜用LD來(lái)進(jìn)行泵浦的缺點(diǎn)，而LD泵浦則是今后激光泵浦源的發(fā)展方向。
目前國(guó)內(nèi)外都在積極尋找各種物理、化學(xué)性能和機(jī)械性能優(yōu)異，且易于生長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸的優(yōu)質(zhì)激光晶體材料，而且該晶體要適合于LD泵浦。
自激活激光晶體，指的是晶體本身的組成成分中就含有激活離子的晶體，激活離子不是作為摻雜離子摻雜進(jìn)去的。由于它含有較高濃度的激活離子，因此，一直是科學(xué)家追求的目標(biāo)。世界上第一個(gè)自激活激光晶體是1972年發(fā)現(xiàn)的(H.G.Danielmeyer，H.P.Weber，J.Quant.Electro.QE-8(1972)805.)，隨后又發(fā)現(xiàn)了多個(gè)自激活激光晶體，但由于他們都存在著各種不同的缺陷，無(wú)法投入實(shí)際使用。目前，最著名的自激活激光晶體是硼酸釹鋁晶體[NdAl3(BO3)4，簡(jiǎn)稱NAB]，其激光實(shí)驗(yàn)已獲得成功，但由于其為非同成分熔化，要得到高光學(xué)質(zhì)量的晶體極為困難，限制了它的推廣使用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于研制一種新的、能夠直接使用閃光燈和LD泵浦的、具有較高轉(zhuǎn)換效率的自激活激光晶體材料。
本發(fā)明的自激活激光晶體正釩酸釹鈣，其分子式為Ca9Nd(VO4)7(簡(jiǎn)稱CNVO)，該晶體屬于三方晶系，具有R3cH空間群結(jié)構(gòu)。在該晶體中，Nd3+離子既是激活離子，又是晶體本身化學(xué)計(jì)量比的一個(gè)成分，激活離子的濃度很高，可達(dá)1.54×1021cm-3，熒光壽命(τ)為21μs，表明濃度猝滅效應(yīng)較弱，有很高的增益，有利于提高激光晶體的轉(zhuǎn)換效率。因此，該晶體特別適合用做全固態(tài)微片激光器和微型激光器。氙燈泵浦激光實(shí)驗(yàn)表明，該晶體可輸出1069nm波長(zhǎng)的線性偏振激光，激光閾值低，只有0.2J，可作為激光晶體。
本發(fā)明的Ca9Nd(VO4)7晶體是一種同成分熔化的化合物，采用提拉法生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)原料按下列化學(xué)反應(yīng)式的比例進(jìn)行稱樣、混合、壓片、燒結(jié)。所用原料為Nd2O3純度99.95％，中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所；CaCO3純度99.95％，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司；V2O5純度99.5％，上海試劑總廠。
晶體生長(zhǎng)是在銥金坩鍋中、惰性氣體(如N2、Ar等)氣氛下進(jìn)行，晶體生長(zhǎng)的參數(shù)為生長(zhǎng)溫度1430～1450℃，提升速度為1.5～3.0毫米/小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速為15～30轉(zhuǎn)/分鐘，生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的Ca9Nd(VO4)7晶體。
將生長(zhǎng)出的晶體用XRD-粉末衍射儀進(jìn)行表征，其粉末衍射譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖相一致，表明所生長(zhǎng)的晶體為Ca9Nd(VO4)7晶體，屬R3cH空間群，晶胞參數(shù)為a＝10.8720(5)，c＝38.1210(10)，V＝3902.243，密度3.34g/cm3。
將生長(zhǎng)出的Ca9Nd(VO4)7晶體，進(jìn)行偏振吸收光譜、偏振熒光光譜及熒光壽命等的分析測(cè)試，結(jié)果表明Ca9Nd(VO4)7晶體的主吸收峰在811nm，其半峰寬為11nm，吸收躍遷截面分別為5.34×10-20cm2(π偏振)和4.13×10-20cm2(σ偏振)，在811nm處有較大的半峰寬，非常適合于采用AsGaAl半導(dǎo)體激光來(lái)進(jìn)行泵浦，有利于激光晶體對(duì)泵浦光的吸收，提高泵浦效率。其在1069nm處的發(fā)射躍遷截面為(π偏振)1.55×10-19cm2，半峰寬(FWHM)為19nm，熒光壽命為21μs，高激活離子濃度(1.54×1021cm-3)、大的吸收和發(fā)射躍遷截面有利于器件輸出功率和輸出能量的提高。因此，Ca9Nd(VO4)7晶體能得到較大的輸出，是一種高轉(zhuǎn)換效率、低成本、高光學(xué)質(zhì)量和有實(shí)際應(yīng)用前景及使用價(jià)值的激光晶體。
本發(fā)明的Ca9Nd(VO4)7晶體可用提拉法非常容易地生長(zhǎng)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的晶體，生長(zhǎng)速度快；晶體硬度為維氏360，硬度適中，便于加工；有優(yōu)良的光學(xué)特性，很容易用閃光燈泵浦或LD泵浦獲得線性偏振激光輸出，激光輸出波長(zhǎng)為1069nm，該晶體可作為一種較好的激光晶體，用它制成的固體激光器用于光譜學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療、軍事等諸多領(lǐng)域中。
具體實(shí)施例方式
提拉法生長(zhǎng)Ca9Nd(VO4)7激光晶體。
將按配比準(zhǔn)確稱量好的CaCO3、V2O5、Nd2O3混合研磨均勻，壓片后，放入φ80×100mm3的剛玉坩鍋中，在馬弗爐中于800℃固相反應(yīng)2小時(shí)，再升溫至1000℃反應(yīng)8小時(shí)。待冷卻至室溫后，將初次合成的原料再次研磨均勻、壓片并再次置于馬弗爐中1000℃燒結(jié)8小時(shí)。將合成好的以上多晶原料放入提拉爐中的銥金坩鍋，采用提拉法，在N2氣氛中，生長(zhǎng)溫度為1430℃左右、晶體轉(zhuǎn)速為15～30轉(zhuǎn)/分鐘，拉速為2.0毫米/小時(shí)的情況下，生長(zhǎng)出了尺寸為30×22×20mm3的高質(zhì)量的Ca9Nd(VO4)7晶體。
權(quán)利要求
1.一種自激活激光晶體正釩酸釹鈣，其特征在于該晶體的分子式為Ca9Nd(VO4)7，屬于三方晶系，空間群為R3cH，晶胞參數(shù)為a＝10.8720(5)，c＝38.1210(10)，V＝3902.243，密度3.34g/cm3。
2.如權(quán)利要求1所述的自激活激光晶體正釩酸釹鈣，其特征在于在該晶體中，Nd3+離子既是激活離子，又是晶體本身化學(xué)計(jì)量比的一個(gè)成分。
3.一種權(quán)利要求1的自激活激光晶體正釩酸釹鈣的制備方法，其特征在于該晶體采用提拉法生長(zhǎng)，以Nd2O3、CaCO3和V2O5為原料，按化學(xué)反應(yīng)式的比例稱樣、混合、壓片、燒結(jié)，在銥金坩鍋中、惰性氣體(如N2、Ar等)氣氛下提拉生長(zhǎng)出晶體，晶體生長(zhǎng)的參數(shù)為生長(zhǎng)溫度1430～1450℃，提升速度為1.5～3.0毫米/小時(shí)，晶體轉(zhuǎn)速為15～30轉(zhuǎn)/分鐘。
4.一種權(quán)利要求1的自激活激光晶體正釩酸釹鈣的用途，其特征在于該晶體用于固體激光器中作為激光工作物質(zhì)，使用閃光燈或激光二極管(LD)作為泵浦源，激發(fā)產(chǎn)生1069nm波長(zhǎng)的激光輸出。
5.如權(quán)利要求4所述的自激活激光晶體正釩酸釹鈣的用途，其特征在于用該晶體制成的固體激光器用于光譜學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療、軍事等諸多領(lǐng)域中。
全文摘要
本發(fā)明涉及人工晶體領(lǐng)域，特別是涉及一種自激活激光晶體正釩酸釹鈣(Ca
文檔編號(hào)C30B15/00GK1804151SQ20051000196
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者王國(guó)富, 莊乃鋒, 林州斌, 胡祖樹(shù) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所