專利名稱：自激活晶體磷酸釹及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子材料技術(shù)領(lǐng)域的磷酸釹(NdP04)晶體及其生長(zhǎng)方法。
(二)
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器(diode-pumped solid-state lasers,DPSSL)在 工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、醫(yī)療、軍事(國(guó)防)等多方面有廣泛應(yīng)用，近年來(lái)已成為固體激光器研 究和發(fā)展的主流。在DPSSL技術(shù)中，激光晶體的優(yōu)劣對(duì)激光器整體性能有著決定性影B向。探 索性能更加優(yōu)良的激光晶體是繼續(xù)發(fā)展DPSSL技術(shù)十分基礎(chǔ)和必要的工作，對(duì)于提高激光 器性能具有重要意義，是固體激光器領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。 目前，全固態(tài)激光器的正向微型化方向發(fā)展，意在利用微片全固態(tài)激光器 (Microchip-type solid state laser)實(shí)現(xiàn)小體積、高密度、中小功率激光輸出。實(shí)現(xiàn)這一 目標(biāo)的關(guān)鍵在于高效率、高光學(xué)質(zhì)量、高熱機(jī)械性能、高損傷閾值激光材料的研究和應(yīng)用。
自激活激光晶體，它的激活離子不是作為雜質(zhì)摻入基質(zhì)晶體中，其本身就是晶體 中一種化學(xué)計(jì)量比的組分，因此，自激活晶體具有高激活離子濃度激光材料，如大發(fā)射截 面、長(zhǎng)上能級(jí)壽命的，可用于發(fā)展小型高功率固體激光，滿足國(guó)家應(yīng)用發(fā)展的需要等，是目 前科研人員致力研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 一直以來(lái)，自激活晶體雖然不少，但是由于晶體本身固有 的一些缺陷存在影響了它們的應(yīng)用。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自激活激光晶體磷酸釹，可以直接使用閃 光燈或LD泵浦，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。 本發(fā)明還提供一種自激活激光晶體磷酸釹的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種自激活激光晶體磷酸釹，分子式為NdP04，是按如下化學(xué)方程式反應(yīng)生成
Nd203+2NH4H2P04 = 2NdP04+2NH3個(gè)+3H20個(gè) 以氧化釹和磷酸二氫銨為原料，以碳酸鋰和氧化鉬作助熔劑，采用助熔劑生長(zhǎng)法 制得，所得磷酸釹晶體為單斜晶系，空間群為P21/n，晶胞參數(shù)為a = 6. 7416 A，b = 6. 9565 A ，c = 6. 4086 A。 本發(fā)明的自激活激光晶體磷酸釹的制備方法，步驟如下 (1)以2N-5N氧化釹和2N-5N磷酸二氫銨為原料，氧化釹與磷酸二氫銨摩爾比為
i : 2 ;以碳酸鋰和氧化鉬作助熔齊U，其中碳酸鋰與氧化鉬的摩爾比為i : 2或i : 3，控制
溶質(zhì)濃度為10-50wt^，混合均勻后放入鉑金坩堝中； (2)將鉑金坩堝置于生長(zhǎng)爐中，升溫至100(TC化料，再升溫至1010-105(TC，恒溫 24-34小時(shí)，物料充分熔化后進(jìn)行攪拌；在高于熔液飽和點(diǎn)溫度10-2(TC時(shí)，將籽晶引入生 長(zhǎng)爐，先置于液面上方充分預(yù)熱后再下入溶液中，待籽晶開始熔化時(shí)，將熔液溫度降至飽和 點(diǎn)以上1-2°C ，以30-40轉(zhuǎn)/每分鐘的旋轉(zhuǎn)速率，按正轉(zhuǎn)_停_反轉(zhuǎn)的循環(huán)方式旋轉(zhuǎn)籽晶4小時(shí)，開始降溫，降溫速率按晶體生長(zhǎng)的初期、中期、后期分段控制，初期、中期、后期每一期間各是14-16天，在生長(zhǎng)初期為0. 1-0. 5°C /天，生長(zhǎng)中期為0. 5-l°C /天，生長(zhǎng)后期為1_2°C /天，生長(zhǎng)周期為42-48天； (3)生長(zhǎng)結(jié)束后，從熔液中提出晶體，以40°C /小時(shí)的降溫速率降至IO(TC ，然后自然冷卻至室溫。獲得到了晶形完整的厘米級(jí)NdP04晶體。 上述步驟(2)的籽晶是磷酸釹小晶體，尺寸為O. 1 0.2X0. 1 0.2X0. 1 0. 2 (單位cm)。 上述本發(fā)明的自激活磷酸釹晶體，具有很高的激活離子濃度，NcT即是激活離子又是晶體本身化學(xué)計(jì)量比成分，該晶體可以用做閃光燈或二極管(LD)泵浦的激光工作物質(zhì)，用于產(chǎn)生1060nm或1339nm的激光輸出。
本發(fā)明的優(yōu)良效果 1、本發(fā)明提供了一種不同于現(xiàn)有技術(shù)的自激活激光晶體磷酸釹，可以直接使用閃光燈或LD泵浦，具有較高的轉(zhuǎn)換效率，是一種可以實(shí)現(xiàn)微片激光運(yùn)轉(zhuǎn)的自激活激光晶體。
2、由于磷酸釹晶體本身具有很高的激活離子濃度可以制作微片激光器，用于醫(yī)療、科研、軍事等領(lǐng)域。
(四)


圖l是采用本發(fā)明方法生長(zhǎng)NdP04晶體的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，2、籽晶桿，3、耐火磚，4、爐管，5、電阻絲，6、保溫材料，7、鉬金坩堝，8、熔液，9、氧化鋁坩堝，10、
熱電耦。 圖2是實(shí)施例1生長(zhǎng)的NdP04晶體的XRD譜圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
圖1給出了采用本發(fā)明方法生長(zhǎng)NdP04晶體的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置為一立式電阻絲加熱爐，籽晶桿2伸入熔液8內(nèi)，在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置1的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，爐管4內(nèi)設(shè)有耐火磚3，電阻絲5繞在爐管4外壁，其外層為保溫材料6?？販卦O(shè)備為FP21型可編程自動(dòng)控溫儀，在生長(zhǎng)溫度區(qū)域內(nèi)控溫精度為0. 1%。育晶器7置入氧化鋁坩堝9中，為70X90mm的鉑金坩堝，可以承受1774°C以下的工作溫度，所盛熔體不易對(duì)其造成腐蝕。熱電耦10采用PtRh/Pt，可以有效控制生長(zhǎng)溫度。
實(shí)施例1 選用碳酸鋰-氧化鉬(Li2C03-Mo03)作助熔劑，原料4N的Nd203、4N的NH4H2P04，將上
述各組份嚴(yán)格稱量，按磷酸二氫銨氧化釹碳酸鋰氧化鉬=i : 1.46 : 1.78 : 6.92
質(zhì)量比混合均勻放入鉑金坩堝中，升溫至IOO(TC化料?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為Nd203+2NH4H2P04 = 2NdP04+2NH3 t +3H20個(gè) 助熔劑體系反應(yīng)方程式為L(zhǎng)i2C03+2Mo03 = Li2Mo207+C02個(gè) 升溫至1050°C ，恒溫28小時(shí)，確保物料充分熔化后進(jìn)行攪拌，使熔液充分混和均勻。用籽晶試探法測(cè)定溶液飽和點(diǎn)溫度，選用無(wú)缺陷的磷酸釹籽晶，在高于溶液飽和點(diǎn)溫度l(TC時(shí)，將籽晶引入生長(zhǎng)爐，先置液面上方適當(dāng)位置充分預(yù)熱后在下入熔液中，然后將溫度降至飽和點(diǎn)以上1°C ，以30轉(zhuǎn)/每分鐘的旋轉(zhuǎn)速率，按照正轉(zhuǎn)_停_反轉(zhuǎn)的循環(huán)方式旋轉(zhuǎn)，4小時(shí)后開始降溫，降溫速率隨晶體的生長(zhǎng)期而不斷加快，生長(zhǎng)初期第一個(gè)15天的降溫速率為0. 1-0. 5°C /天，生長(zhǎng)中期第二個(gè)15天為0. 5-rC /天，后期第三個(gè)15天的1-2°C /天，生長(zhǎng)周期為45天；生長(zhǎng)結(jié)束后，從熔液中提出晶體，以40°C /小時(shí)的降溫速率降至IO(TC后，讓其自然冷卻至室溫。獲得到了晶形完整的1立方厘米的NdP04晶體，其晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)空間群為P21/n，晶胞參數(shù)為a = 6. 7416 A， b = 6. 9565 A， c = 6. 4086 A，單斜晶系。
實(shí)施例2 選用碳酸鋰一氧化鉬(Li2C03-Mo03)作助熔齊U，原料為2N-5N的Nd203、
nh4h2po4，將上述各組份嚴(yán)格稱量，按磷酸二氫銨氧化釹碳酸鋰氧化鉬=
1 : 1.46 : 1.78 : 10. 37質(zhì)量比，混合均勻放入鉑金坩堝中，升溫至IOO(TC化料。
化學(xué)反應(yīng)方程式為Nd203+2NH4H2P04 = 2NdP04+2NH3 t +3H20個(gè)
助熔劑體系反應(yīng)方程式為L(zhǎng)i2C03+3Mo03 — Li2Mo301(1+C02 升溫至103(TC，恒溫30小時(shí)，物料充分熔化后進(jìn)行攪拌，使熔液充分混和均勻。用籽晶試探法測(cè)定溶液飽和點(diǎn)溫度，選用質(zhì)量較好的籽晶生長(zhǎng)，在高于溶液飽和點(diǎn)溫度12°C時(shí)，將籽晶引入生長(zhǎng)爐，置液面上方適當(dāng)位置充分預(yù)熱后下入溶液，然后將溫度降至飽和點(diǎn)以上1. 5°C ，以35轉(zhuǎn)/每分鐘的旋轉(zhuǎn)速率，按照正轉(zhuǎn)_停_反轉(zhuǎn)的循環(huán)方式旋轉(zhuǎn)，4小時(shí)后開始降溫，降溫速率隨晶體的生長(zhǎng)期而不斷加快，生長(zhǎng)初期15天內(nèi)的降溫速率為0. 1-0. 5°C /天，生長(zhǎng)中期的16天內(nèi)為0. 5-rC/天，生長(zhǎng)后期的16天內(nèi)的1_2°C /天，生長(zhǎng)周期為47天；獲得到了晶形完整的NdP04晶體，尺寸為IX 1. IX 1. 2(厘米)，晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
一種自激活激光晶體磷酸釹，分子式為NdPO4，是以氧化釹和磷酸二氫銨為原料，以碳酸鋰和氧化鉬作助熔劑，采用助熔劑生長(zhǎng)法制得，所得磷酸釹晶體為單斜晶系，空間群為P21/n，晶胞參數(shù)為a＝6.7416，b＝6.9565，c＝6.4086。FSA00000034250500011.tif,FSA00000034250500012.tif,FSA00000034250500013.tif
2. 本發(fā)明的自激活激光晶體磷酸釹的制備方法，步驟如下(1) 以2N-5N氧化釹和2N-5N磷酸二氫銨為原料，氧化釹與磷酸二氫銨摩爾比為1 : 2; 以碳酸鋰和氧化鉬作助熔劑，其中碳酸鋰與氧化鉬的摩爾比為1 : 2或1 : 3，控制溶質(zhì)濃 度為10-50wt^，混合均勻后放入鉑金坩堝中；(2) 將鉑金坩堝置于生長(zhǎng)爐中，升溫至IOO(TC化料，再升溫至1010-105(TC，恒溫24-34 小時(shí)，物料充分熔化后進(jìn)行攪拌；在高于熔液飽和點(diǎn)溫度10-2(TC時(shí)，將籽晶引入生長(zhǎng)爐， 先置于液面上方充分預(yù)熱后再下入溶液中，待籽晶開始熔化時(shí)，將熔液溫度降至飽和點(diǎn)以 上1-2°C ，以30-40轉(zhuǎn)/每分鐘的旋轉(zhuǎn)速率，按正轉(zhuǎn)_停_反轉(zhuǎn)的循環(huán)方式旋轉(zhuǎn)籽晶4小時(shí)， 開始降溫，降溫速率按晶體生長(zhǎng)的初期、中期、后期分段控制，初期、中期、后期每一期間各 是14-16天，在生長(zhǎng)初期為0. 1-0. 5°C /天，生長(zhǎng)中期為0. 5-1 °C /天，生長(zhǎng)后期為1_2°C / 天，生長(zhǎng)周期為42-48天；(3) 生長(zhǎng)結(jié)束后，從熔液中提出晶體，以40°C /小時(shí)的降溫速率降至IO(TC ，然后自然冷 卻至室溫，得厘米級(jí)NdP04晶體。
3. 權(quán)利要求1所述自激活磷酸釹晶體的用途，其特征在于該晶體用做閃光燈或二極管 泵浦的激光工作物質(zhì)，用于產(chǎn)生lQ60nm和1339nm的激光輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自激活晶體磷酸釹及其制備方法。以氧化釹及NH4H2PO4為原料，以碳酸鋰-氧化鉬作助熔劑，溶質(zhì)濃度為20％，采用助熔劑生長(zhǎng)法制備，所得磷酸釹晶體為單斜晶系，空間群為P21/n，晶胞參數(shù)為本發(fā)明制備的磷酸釹晶體可以作為激光工作物質(zhì)，用以產(chǎn)生1060nm和1339nm的激光輸出，由于晶體本身具有很高的激活離子濃度可以制作微片激光器，用于醫(yī)療、科研、軍事等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C30B29/14GK101768778SQ20101010651
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者張懷金, 李靜, 王永政, 王繼揚(yáng), 蔣民華 申請(qǐng)人:山東大學(xué)