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一种掺镱硼酸钇锶飞秒激光晶体，涉及人工晶体领域，特别是涉及一种新型飞秒激光晶体材料掺镱硼酸钇锶[Yb:Sr3Y2 (BO3) 4]及其制备方法。采用提拉法生长掺镱硼酸钇锶单晶，其生长温度为1325℃，拉速为0.7－2mm/h，晶转15－30rmp，可生长出高质量、大尺寸的掺镱硼酸钇锶飞秒激光晶体。

权利要求书

一种掺镱硼酸钇锶飞秒激光晶体
技术领域 本发明涉及光电子功能材料技术领域中的人工晶体和晶体生长领域，尤其是涉及一种固态飞秒激光器中的工作物质的飞秒激光晶体材料。
背景技术  飞秒激光晶体是固体飞秒激光器的工作物质，它是指以晶体为基质，通过分立的发光中心吸收泵浦光能量并将其转化为激光输出的发光材料。飞秒激光晶体的各种物理和化学性质主要由基质材料决定，而其光谱特性和荧光寿命等则由激活离子的能级结构决定。自1965年，脉冲激光技术用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉冲而进入超短范围以来，发展十分迅速。70年代出现了队撞环形锁模染料激光器，激光的脉冲宽度进入飞秒阶段。90年代初，英国的圣安德鲁大学的spence等人首次报道了用自锁模钛宝石激光器产生了60fs的超短脉冲。由于钛宝石固体激光器可调谐范围宽、荧光带宽大、结构简单、可靠性高、无污染，克服了染料激光器的缺点，它的出现掀起了国际上发展新型固体飞秒激光器的热潮。
目前，应用最广泛的固体飞秒激光晶体是钛宝石晶体，其具有较好的各种物理和化学性能，且易于生长出高光学质量、大尺寸的优质晶体。但它存在着吸收谱线窄，不适宜于用LD来进行泵浦的缺点，而LD泵浦将是今后激光泵浦源的发展方向。
积极寻找各种物理、化学性能和机械性能优异，且易于生长出高光学质量、大尺寸的优质激光晶体材料，而且该晶体要适合于LD泵浦，这是目前各国科学家正在进行的工作。镱离子由于具有较好的光谱性能，广泛地被用作激活离子，掺Yb³⁺离子的激光晶体，量子效率高，适宜于InGaAs激光二极管泵浦；而硼酸盐由于具有较好的物理化学和机械性能，也成为激光基质材料的热门之选。
发明内容本发明的目的就在于研制一种新的激光晶体掺镱硼酸钇锶[Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄]，能够直接使用闪光灯和LD泵浦的，具有较高转换效率的激光晶体材料。
将生长出的Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体，在四圆衍射仪上进行了衍射数据的收集，结构分析表明，其属于正交晶系，空间群为Pnma，晶胞参数为：a＝8.713，b＝16.003，c＝7.406，V＝1032.7³，Z＝4，折射率为1.74。其中镱离子是作为掺杂离子，取代钇离子的晶格位置，镱的掺杂浓度在0.5at％～25at％之间，荧光寿命(τ)为3.55-1.03ms，其荧光寿命是镱离子浓度的函数，可根据不同的需要掺入不同浓度的镱离子。实验结果表明其可输出1054nm波长的激光，可作为激光晶体。
Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体是一种同成分熔化的化合物，可采用提拉法生长，按化学反应式：的比例进行称样、混合、压片，而Yb₂O₃则按所需浓度加入，所用原料为：Yb₂O₃(纯度99.95％，中科院长春应用化学研究所)、Y₂O₃(纯度99.99％，中科院长春应用化学研究所)、SrCO₃(纯度99.95％，中国医药集团上海化学试剂公司)、H₃BO₃(纯度99.99％，北京化工厂)，生长采用铂坩锅、在惰性气体(如N₂、Ar等)气氛下进行，晶体生长的参数为生长温度1325-1370℃左右，提拉速度为0.7～2.mm/h，晶体转速为15～30rmp，生长出了高质量的Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体。
将生长出的Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体，进行吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命等的分析测试，结果表明(以掺5at％Yb³⁺的Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体为例)：Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体的主吸收峰在977nm，其半峰宽为8nm，吸收跃迁截面为2.07×10^-20cm²，在977nm处较大的半峰宽非常适合于采用InGaAs半导体激光来进行泵浦，有利于激光晶体对泵浦光的吸收，提高泵浦效率。其在1054nm处的发射跃迁截面σ_em为0.70×10^-19cm²，荧光寿命为1.18ms，因为荧光寿命长的晶体能在上能级积累更多的粒子，增加了储能，有利于器件输出功率和输出能量的提高。因此，Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体能得到较大的输出，是一种高转换效率、低成本、高光学质量和有实际应用前景及使用价值的激光晶体。
Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体可用提拉法非常容易地生长出质量优良的晶体，生长速度快，晶体质地坚硬，具有良好的导热性能，有优良的光学特性，很容易用闪光灯泵浦和LD泵浦获得激光输出，激光输出波长为1054nm，该晶体可作为一种较好的激光晶体。
本发明的Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体是一种同成份熔化的化合物，可以采用提拉法生长，其生长周期短、可获得高质量大尺寸的晶体。我们在实验过程中找到合适的固相合成方法及较佳的生长条件，采用提拉法已生长出尺寸为Φ15mm×25mm的高光学质量的晶体。
具体实施方式
实施例1：提拉法生长掺杂浓度为2.0at.％Yb³⁺的Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄激光晶体。将按配比准确称量好的SrCO₃、Y₂O₃、H₃BO₃、Yb₂O₃混合研磨均匀，压片后，放入φ60×40mm³的铂坩锅中，在马弗炉中于900℃固相反应12小时，再升温至1100℃反应10小时。将合成好的以上样品放入提拉炉中，采用提拉法，在N₂气氛中，生长温度为1325℃、晶体转速为15rmp，拉速为1mm/h的情况下，生长出了尺寸为Φ20mm×30mm的高质量的Yb³⁺含量为2.0at.％的Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体。
实施例2：提拉法生长掺杂浓度为5.0at.％Yb³⁺的Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄激光晶体。将按配比准确称量好的SrCO₃、Y₂O₃、H₃BO₃、Yb₂O₃混合研磨均匀，压片后，放入φ60×40mm³地铂坩锅中，在马弗炉中于1050℃固相反应10小时，再升温至1200℃反应20小时。将合成好的以上样品放入提拉炉中，采用提拉法，在Ar气氛中，生长温度为1350℃、晶体转速为15rmp，拉速为0.5mm/h的情况下，生长出了尺寸为Φ15mm×25mm的高质量的Yb³⁺含量为5.0at.％的Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体。