自激活激光晶体硼酸钪锶钕及其制备方法 技术领域
自激活激光晶体硼酸钪锶钕及其制备方法，涉及光电子功能材料技术领域中的人工晶体和晶体生长方法，尤其是涉及一种作为固态激光器中的工作物质的激光晶体材料。
背景技术
固体激光工作物质由基质材料和激活离子组成，其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1960年，研制成功人造红宝石脉冲激光器以来，迄今为止，已发现了数百种激光晶体，但因各种原因，能真正得到实际应用的激光晶体只有十来种。
目前，应用最广泛的激光晶体是掺钕离子的钇铝石榴石(YAG)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。
自激活激光晶体，指的是晶体本身的组成成分中就含有激活离子的晶体，激活离子不是作为掺杂离子掺杂进去的。由于它含有较高浓度的激活离子，因此，一直是科学家追求的目标。世界上第一个自激活激光晶体是1972年发现的(H.G.Danielmeyer，H.P.Weber，J.Quant.Electro.QE-8(1972)805.)，随后又发现了多个的自激活激光晶体，但由于他们都存在着各种不同的缺陷，无法投入实际使用。目前，最著名的自激活激光晶体是硼酸钕铝晶体[NdAl3(BO3)4，NAB]，其激光实验已获得成功，但由于其为非同成分熔化，要得到高光学质量的晶体极为困难，限制了它地推广使用。
目前国内外都在积极寻找各种物理、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。钕离子由于具有较好的光谱性能，广泛地被用作激活离子；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，能够直接使用闪光灯和LD泵浦的，具有较高转换效率的、能发射1060nm波长激光的晶体材料。
依据本发明方案研制出的硼酸钪锶钕NdSr6Sc(BO3)6晶体属于三方晶系，具有R 3空间群结构，其晶胞参数为：a＝12.306(3)_，c＝9.269(3)_，V＝1215.6(5)_3，Dc＝4.376g/cm3。其中钕离子是作为自激活离子，其荧光寿命(τ)为48μs。实验结果表明其可输出1060 nm波长的激光，可作为激光晶体。
硼酸钪锶钕是一种同成分熔化的化合物，我们经过实验找到了采用提拉法(Czochralski方法)和熔盐法生长NdSr6Sc(BO3)6晶体的较理想的生长条件，并生长出了高质量、较大尺寸的NdSr6Sc(BO3)6晶体(见实施例1、2和3)。
具体的化学反应式如下：
所用的原料纯度及厂家如下： 药品名 纯 度 厂 家 Nd2O3 99.999％ 中科院长春应用化学研究所 Sc2O3 99.999％ 中科院长春应用化学研究所 Sr2CO3 99.99％ 上海五四化学试剂厂 H3BO3 99.99％ 中国医药集团上海化学试剂公司 Li2CO3 99.99％ 汕头市光华化学厂 LiF 99.95％ 广州化学试剂厂
提拉法生长硼酸钪锶钕自激活激光晶体，其主要生长条件如下：生长是在铂坩锅中、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1310℃左右，提升速度为0.5～2.0毫米/小时，晶体转速为5～20转/分钟。
助熔剂方法生长硼酸钪锶钕自激活激光晶体，其主要生长条件如下：所用助熔剂为Li6B4O9或LiBO2-LiF，其中LiBO2和LiF的重量比为(75～95)：(25～5)，助熔剂总的浓度控制在15wt.～60wt.％之间，生长温度在960-865℃温度区间内，降温速率为1-4℃/天，晶体转速为5-30转/分钟。
将生长出的NdSr6Sc(BO3)6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，其属于三方晶系，空间群为R 3，晶胞参数为a＝12.306(3)_，c＝9.269(3)_，V＝1215.6(5)_3，密度4.376g/cm3；采用油浸法测得其折射率为1.75。
将生长出的NdSr6Sc(BO3)6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：NdSr6Sc(BO3)6晶体中，Nd3+的浓度为2.47×1021cm-3，晶体的主吸收峰在808nm，吸收系数为36.10cm-1，半峰宽(FWHM)18nm，吸收跃迁截面1.46×10-20cm2，在808nm处较大的半峰宽非常适合于采用AsGaAl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1060nm处有最强的荧光发射峰，其发射跃迁截面σem为1.46×10-19cm2，半峰宽为27nm，荧光寿命(τ)为48μs，是NAB晶体的三倍，因为σ·τ值较大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，NdSr6Sc(BO3)6晶体能得到和NAB晶体类似的较大的激光输出，由于其生长比NAB容易，能较容易地得到高光学质量的晶体，因而它可望代替NAB晶体，而成为一种新的高转换效率、低成本、高光学质量和有实际应用前景及使用价值的自激活激光晶体。
本发明研制出的NdSr6Sc(BO3)6晶体可用提拉法和熔盐法非常容易地生长出质量优良的晶体，生长工艺稳定，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1060nm，该晶体可作为一种较好的激光晶体。
具体实施方式实施例1：提拉法生长NdSr6Sc(BO3)6激光晶体。
将按化学计量比准确称量好的Nd2O3、SrCO3、Sc2O3、H3BO3混合研磨均匀，压片后，在马弗炉中于950℃固相反应24小时，再升温至1050℃反应15小时。将合成好的以上样品装入φ60×40mm3的铂坩锅中，放入提拉炉中，采用提拉法，在N2气氛中，生长温度为1310℃、晶体转速为15转/分钟，拉速为1毫米/小时的情况下，生长出了尺寸为φ28×20mm3的高质量的NdSr6Sc(BO3)6晶体。
实施例2：以Li6B4O9为助熔剂生长NdSr6Sc(BO3)6激光晶体。
生长原料为NdSr6Sc(BO3)6∶Li6B4O9＝75∶25(重量比)。采用熔盐顶部籽晶法，在φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为958→895℃之间，以2℃/天的降温速率，15转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为30×28×15mm3的高质量的NdSr6Sc(BO3)6晶体。
实施例3：以LiBO2-LiF为助熔剂生长NdSr6Sc(BO3)66激光晶体。
生长原料为NdSr6Sc(BO3)6∶LiBO2∶LiF＝75∶20∶5(重量比)。采用熔盐顶部籽晶法，在φ60×50mm铂坩锅中，生长温度为940→875℃之间，以3℃/天的降温速率，20转/分钟的晶体转速，生长出了尺寸为26×23×16mm3的高质量的NdSr6Sc(BO3)6晶体。