專利名稱：提高稀土離子摻雜濃度的鎢酸鋇單晶制備工藝的制作方法
技術領域：
一種提高稀土離子摻雜濃度的鎢酸鋇單晶制備工藝，屬于單晶生長技術領域。
背景技術：
稀土離子是激光晶體的重要組成部分，它作為激光激活離子決定產(chǎn)生的激光波長、能量轉換效率、抽運閾值能量、最大輸出能量和功率。稀土離子在激光晶體中的摻雜濃度是決定激光晶體能量轉換效率的關鍵因素之一。因此，在不造成濃度猝滅的情況下，需要盡可能提高基質(zhì)晶體中激活離子的濃度?；|(zhì)晶體作為激光晶體兩個基本組成的另一個要素，起著為激活離子提供適宜晶體場的不可缺少的作用，它的性能同樣對激光晶體的綜合性能有重要影響。
鎢酸鋇晶體BaWO4屬四方晶系，單軸晶體，白鎢礦結構，晶格常數(shù)為a＝0.561nm，c＝1.271nm，所屬空間群為I41/a，晶胞中“分子數(shù)”z＝4，密度為6.393g/cm3，莫氏硬度為4。近年來，由于發(fā)現(xiàn)其具有很高的拉曼增益，成為納秒和皮秒超短脈沖激光頻移的重要材料，同時作為一種激光基質(zhì)晶體受到人們的重視。人們試圖在鎢酸鋇單晶中摻入稀土離子研制新型激光晶體。這種新型晶體具有自激活、自聚焦、自頻移等特點，可用來研制一種穩(wěn)定的全固態(tài)多功能光電子器件。但是，稀土離子在鎢酸鋇中摻雜濃度很低[林新松，陳建中，莊乃鋒等，摻鐿鎢酸鋇晶體及光譜性能，福州大學學報(自然科學版)，2005，33(3)0366-04]，無法做成有實用價值的激光晶體。提高稀土離子在鎢酸鋇單晶中的濃度成為研制新型光電子器件的關鍵因素。鎢酸鋇單晶還是上轉換激光晶體的優(yōu)良基質(zhì)材料。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明通過摻雜K+離子來提高稀土離子在鎢酸鋇單晶中的濃度。通過晶體結構研究，發(fā)現(xiàn)鎢酸鋇晶體中，二價鋇離子處于十二面體中心，8配位，離子半徑為156pm，而同樣配位數(shù)的三價稀土離子半徑在112～128pm范圍內(nèi)。要實現(xiàn)同晶置換，不僅電價相差一價，離子半徑也相差較多。因此，在晶體中摻入一價離子可以補償電荷平衡。從離子半徑角度分析，與Ba2+離子半徑相近的是K+離子，它的半徑為165pm，略大于Ba2+離子。摻入K+離子可以有效提高在鎢酸鋇中稀土離子的摻雜濃度，改善其發(fā)光性能，提高激光效率。
本發(fā)明提供了一種提高稀土離子摻雜濃度的鎢酸鋇單晶制備工藝，其特征在于，它包括以下步驟1)、在純度≥4N(99.99％)的鎢酸鋇BaWO4粉末中，加入占最后產(chǎn)物的摩爾百分比為0.1～5％的K2WO4粉末和占最后產(chǎn)物的摩爾百分比為0.1～10％的稀土氧化物粉末；2)、將上述原料按上述比例準確稱量，混勻后放入坩堝，在爐中加熱至熔點1475℃～1495℃，從坩堝頂部放入籽晶于熔體中，提拉、旋轉，等徑生長鎢酸鋇單晶到所需長度后降至室溫。
在上述步驟2)中“從坩堝頂部放入籽晶于熔體中，提拉和旋轉，等徑生長鎢酸鋇單晶到所需長度后降至室溫；”此生長工藝為公知技術，即降溫制度和提拉速率、轉速、等徑生長參照現(xiàn)有技術，所以不再贅述，具體見實施例。
發(fā)明效果(1)晶體生長質(zhì)量提高，可獲得高光學質(zhì)量的大尺寸單晶。
(2)晶體沿c軸生長，退火后垂直c方向切割，經(jīng)研磨拋光進行吸收光譜測試。晶體吸收系數(shù)反映晶體中稀土離子摻雜濃度。在同樣條件下，采用本發(fā)明后稀土離子吸收系數(shù)比未摻K+時提高一倍以上。
(3)改善了發(fā)光性能，提高了效率，增大了激光的輸出功率。
(4)晶體的上轉換發(fā)光性能增強。


圖1Yb3+:BaWO4晶體中Yb3+離子的吸收光譜圖2三摻BaWO4單晶的吸收光譜圖3在波長976nm激光激發(fā)時，Er3+，Yb3+:BaWO4晶體的發(fā)射光譜
具體實施例方式1、采用DJ400單晶爐，中頻感應加熱，鉑坩堝盛料，直拉法生長。將摩爾比為1∶1的BaCO3和WO3粉混勻400g，制備出化學試劑純度≥4N(99.99％)的鎢酸鋇BaWO4粉末，加入百分比為1mol％的K2WO4和2mol％的Yb2O3，在1495℃時粉料熔化，采用c向籽晶接晶，以0.5mm/h的速率提拉，生長1mm后以3mm/h速率提拉，轉速為18r.p.m.，等徑生長50mm后經(jīng)過5小時降至室溫。晶體退火后垂直c軸切割，研磨拋光作為測試樣品。采用FTS6000可見、近紅外傅立葉紅外光譜儀測試樣品的吸收光譜。見圖1。Yb3+:BaWO4在單摻2mol％Yb2O3時的最大吸收系數(shù)為0.01415cm-1，在雙摻1mol％K2WO4和2mol％Yb2O3時的最大吸收系數(shù)為0.03010cm-1，K+離子的引入使Yb3+離子在BaWO4晶體中的吸收系數(shù)增大約一倍。由于吸收系數(shù)與摻雜稀土離子濃度成正比，雙摻時Yb3+離子的吸收系數(shù)比未摻K+的提高一倍多，說明同樣條件下稀土離子摻雜濃度提高。
2、采用DJ400單晶爐，中頻感應加熱，鉑坩堝盛料，直拉法生長。將摩爾比為1∶1的Ba(NO3)2和WO3粉混勻400g，制備出化學試劑純度≥4N(99.99％)的鎢酸鋇BaWO4粉末，加入百分比為2mol％的K2WO4和2mol％的Yb2O3，在1475℃時粉料熔化，采用c向籽晶接晶，以0.5mm/h的速率提拉，生長1mm后以3mm/h速率提拉，轉速為18r.p.m.，等徑生長50mm后5小時降至室溫。晶體退火后垂直c軸切割，研磨拋光作為測試樣品。采用FTS6000可見、近紅外傅立葉紅外光譜儀測試樣品的吸收光譜。見圖1。Yb3+:BaWO4在單摻2mol％Yb2O3時的最大吸收系數(shù)為0.01415cm-1，在雙摻2mol％K2WO4和2mol％Yb2O3時的最大吸收系數(shù)為0.02918cm-1，K+離子的引入使Yb3+離子在BaWO4晶體中的吸收系數(shù)增大約一倍。由于吸收系數(shù)與摻雜稀土離子濃度成正比，雙摻時Yb3+離子的吸收系數(shù)比未摻K+的提高一倍多，說明同樣條件下稀土離子摻雜濃度提高。
3、采用DJ400單晶爐，中頻感應加熱，鉑坩堝盛料，直拉法生長。將摩爾比為1∶1的BaCO3和WO3粉混勻400g，制備出化學試劑純度≥4N(99.99％)的鎢酸鋇BaWO4粉末，加入百分比為2mol％的K2WO4、2mol％的Yb2O3和2mol％的Er2O3，在1485℃時粉料熔化，采用c向籽晶接晶，以0.5mm/h的速率提拉，生長1mm后以1.5mm/h速率提拉，轉速為18r.p.m.，等徑生長50mm后5小時降至室溫。晶體退火后垂直c軸切割，研磨拋光作為測試樣品。采用FTS6000可見、近紅外傅立葉紅外光譜儀測試樣品的吸收光譜，檢測到了Er的特征吸收峰。見圖2。波長981.42nm為Yb3+離子的特征吸收峰，扣除基質(zhì)吸收系數(shù)為0.03cm-1，波長802.70nm和1524.46nm為Er3+離子的特征吸收峰，同樣條件下單摻2mol％的Er2O3，檢測不到Er的特征吸收峰。圖3是在波長976nm激光激發(fā)時，Er3+，Yb3+:BaWO4晶體的發(fā)射光譜，1324.62nm和1533.97nm均為Er3+離子的特征熒光發(fā)射。
權利要求
1.一種提高稀土離子摻雜濃度的鎢酸鋇單晶制備工藝，其特征在于，它包括以下步驟1)、在純度≥99.99％的鎢酸鋇BaWO4粉末中，加入占最后產(chǎn)物的摩爾百分比為0.1～5％的K2WO4粉末和占最后產(chǎn)物的摩爾百分比為0.1～10％的稀土氧化物粉末；2)、將上述原料按上述比例準確稱量，混勻后放入坩堝，在爐中加熱至熔點1475℃～1495℃，從坩堝頂部放入籽晶于熔體中，提拉、旋轉，等徑生長鎢酸鋇單晶。
全文摘要
提高稀土離子摻雜濃度的鎢酸鋇單晶制備工藝屬于單晶生長領域。目前稀土離子在鎢酸鋇中摻雜濃度很低，無法做成有實用價值的激光晶體。本發(fā)明的鎢酸鋇單晶制備工藝，包括以下步驟在純度≥99.99％的鎢酸鋇BaWO
文檔編號C30B15/02GK1865537SQ20061007627
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權日2006年4月21日
發(fā)明者臧競存, 鄒玉林, 李曉, 謝麗艷, 呂超 申請人:北京工業(yè)大學