离子掺杂铝酸钙钆激光晶体的制备方法技术

一种离子掺杂铝酸钙钆激光晶体的制备方法，在铝酸钙钆基质中掺入铬铈钕等离子，采用提拉法或浮区法生长出优质的铬铈钕共掺或铈钕，铬钕双掺的铝酸钙钆激光晶体。晶体完整无开裂，可见光波段吸收效率高，是一种非常优良的太阳光泵浦激光增益介质。

【技术实现步骤摘要】
离子掺杂铝酸钙钆激光晶体的制备方法
本专利技术涉及太阳光泵浦的激光材料，特别是一种离子掺杂铝酸钙钆激光晶体的制备方法。
技术介绍
随着自然资源的日益匮乏，环境条件日益恶化，寻找一种清洁的可再生能源逐渐成为一项研究热点。其中，太阳能资源成本低廉，适用范围广泛，无任何污染，越来越受人们重视。目前，太阳能利用形式主要是太阳能电池发电和太阳能热水器，能源利用率低，占地面积大，受气候和时间影响较大，一直限制着太阳能的广泛应用。太阳能泵浦激光，最早在1963年问世(参见KissZ.J.等Sunpumpedcontinuousopticallaser,Appl.Phys.Lett.,1963,2(5):93-94.)。近些年，随着空间技术的不断发展，太阳能泵浦激光逐渐得到重视。在太空中，太阳能资源比地面更加丰富，太阳能辐射不受时间和气候的变化而改变，因此太阳能泵浦激光被认为是新一代的空间能源。太阳光是连续宽光谱光源，其辐射谱中含有所有的激光泵浦波长。太阳光泵浦激光器的工作原理是将太阳光汇聚后耦合到激光介质中，使阳光中有用的泵浦光被介质吸收而产生激光输出。因此，这就需要激光介质对太阳光有足够的吸收效率。目前广为研究的太阳光泵浦激光介质有Nd:YAG，Nd:YVO4，以及Nd掺杂的激光陶瓷等。这些晶体具有高热导率，但对太阳光吸收效率普遍不超过20%(参见《激光技术与应用》7月刊（2008），16-23)。CaGdAlO4晶体，热导率为6.3-6.7Wm-1K-1，是一种非常优良的激光增益介质。实验中我们发现，掺杂Ce3+和Cr3+离子的CaGdAlO4晶体在400-500nm附近有很高的吸收率，可以有效地吸收太阳光，并通过能级跃迁，敏化Nd3+离子，产生激光。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种离子掺杂铝酸钙钆激光晶体的制备方法，该方法制备离子掺杂铝酸钙钆激光晶体具有很高的光学质量，无开裂，散射颗粒，气泡等缺陷，颜色均匀。晶体可见光400nm-500nm部分吸收效率高，是一种非常优秀的太阳光泵浦激光晶体。本专利技术的技术解决方案如下：一种离子掺杂铝酸钙钆激光晶体的制备方法，其特点在于该方法包括下列步骤：①按照下列反应方程式，选定比例x、y、z的值，采用纯度为99.999%的高纯CaCO3，Gd2O3，CeO2，Nd2O3，Al2O3，Cr2O3粉末原料，按选定比例称量各氧化物原料：2CaCO3+(1-x-y)Gd2O3+2xCeO2+yNd2O3+(1-z)Al2O3+zCr2O3=2CaGd(1-x-y)CexNdyAl(1-z)CrzO4+2CO2其中0≤x≤0.01，0＜y≤0.01，0≤z≤0.001；②将精确称重的原料放入干净的聚四氟乙烯球磨罐中，然后再放入预先配比好的玛瑙球，倒入适量高纯无水乙醇，密封完毕后，放入球磨机中，设定转速15-25rpm，混料时间12-24h，球磨完毕后，将球磨罐放入烘箱中，设定温度80℃，烘烤6h，确保乙醇完全挥发形成干燥的混合粉料；③将所述的干燥的混合粉料放入有机模具中，在液压机上压制成块或棒；④将压好的块或棒料在马弗炉中1250℃烧结20h，除去原料中的水分，并让原料中CaCO3分解，发生固相反应，形成多晶块料或多晶棒料；⑤将所述的多晶料，采用中频感应加热提拉法生长Cr/Ce/Nd:CaGdAlO4晶体；或者采用浮区法生长Cr/Ce/Nd:CaGdAlO4晶体。所述的中频感应加热提拉法生长的生长过程如下：将烧结后的多晶块料放进预先装入提拉炉的铱坩埚内，抽真空至10-3Pa后充入高纯氮气，打开中频感应发生器电源，炉内坩埚升温至1900℃，让原料充分融化并通过流动混合均匀，而后再降到晶体熔点1840℃附近，下降a向CaGdAlO4籽晶，晶体提拉速度1-2mm/h，旋转速度10-20rpm，晶体生长完毕，按降温速率为30℃/h-45℃/h，缓慢降至室温，取出晶体。所述的浮区法生长晶体的过程是：将烧结后的多晶棒料作为上棒，a向CaGdAlO4籽晶作为下棒，空气气氛下生长，上棒下降速度3-15mm/h，下棒下降速度2-10mm/h，上下棒旋转速度5-20rpm，熔区结晶面温度在熔点1840℃附近，保证原料充分融化并混合均匀，晶体生长完毕，按降温速率为900℃/h-1800℃/h，缓慢降至室温，取出晶体。本专利技术的特点是采用提拉法或者浮区法生长铬铈钕共掺或铈钕，铬钕双掺的铝酸钙钆太阳光泵浦激光晶体，晶体具有很高的光学质量，无开裂，散射颗粒，气泡等缺陷，颜色均匀。晶体可见光400nm-500nm部分吸收效率高，是一种非常优秀的太阳光泵浦激光晶体。具体实施方式下面结合具体实施案例对专利技术进行进一步阐述，但不应以此限制本专利技术的包含范围。实施例1：用上述的原料配比和工艺流程生长Cr,Nd:CaGdAlO4激光晶体，原料配比中取x=0，y=0.01，z=0.001。将CaCO3，Gd2O3，Nd2O3，Cr2O3，Al2O3高纯原料（纯度均为99.999%），按2:0.99:0.01:0.001:0.999比例称取。乙醇湿法球磨10h混合均匀，并经烘箱干燥处理后，用有机弹性塑料模具在液压机上压制成块，并在马弗炉中1250℃烧结20h。将烧结好的原料装进预先放置在提拉炉内的铱坩埚内。炉内抽真空至10-3Pa后，充入高纯氮气。升温至1900℃，让料充分融化混合后，1小时后，降温至晶体熔点1840℃附近，下降a向CaGdAlO4籽晶，开始生长晶体。晶体提拉速度1mm/h，旋转速度10rpm。晶体生长完毕，缓慢降至室温，降温速率45℃/h，取出晶体。晶体完整无开裂，颜色鲜红且均匀。实施例2：用上述的原料配比和工艺流程生长Ce,Nd:CaGdAlO4激光晶体，原料配比中取x=0.01，y=0.01，z=0。将CaCO3，Gd2O3，Nd2O3，CeO2，Al2O3高纯原料（纯度均为99.999%），按2:0.98:0.01:0.02:1比例称取。乙醇湿法球磨10h混合均匀，并经烘箱干燥处理后，用有机弹性塑料模具在液压机上压制成棒并在马弗炉中1250℃烧结20h。而后将棒挂在浮区炉上，作为上棒，a向CaGdAlO4籽晶作为下棒。浮区炉炉腔内通空气，升温至结晶面温度在1840℃，让上棒原料底部充分融化，并和籽晶接触，保持1h后，上棒下降速度3mm/h，旋转速度5rpm，下棒下降速率2mm/h，旋转速度20rpm，开始生长晶体。晶体生长结束后，以900℃/h降温速率降至室温，取出晶体。晶体完整无开裂，表面光滑，颜色淡绿色。实施例3：用上述的原料配比和工艺流程生长Cr,Ce,Nd:CaGdAlO4激光晶体，原料配比中取x=0.005，y=0.005，z=0.0005。将CaCO3，Gd2O3，Nd2O3，CeO2，Cr2O3，Al2O3高纯原料（纯度均为99.999%），按2:0.99:0.005:0.01:0.0005:0.9995比例称取。乙醇湿法球磨10h混合均匀，并经烘箱干燥处理后，用有机弹性塑料模具在液压机上压制成块，并在马弗炉中1250℃烧结20h。将烧结好的原料装进预先放置在提拉炉内的铱坩埚内。炉内抽真空至10-3Pa后，充入高纯氮气。升温至1900℃，让料充分融化混合后，1小时后，降温至晶体熔点18本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子掺杂铝酸钙钆激光晶体的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：①按照下列反应方程式，选定比例x、y、z的值，采用纯度为99.999%的高纯CaCO3，Gd2O3，CeO2，Nd2O3，Al2O3，Cr2O3粉末原料，按选定比例称量各氧化物原料：2CaCO3+(1‑x‑y)Gd2O3+2xCeO2+yNd2O3+(1‑z)Al2O3+zCr2O3=2CaGd(1‑x‑y)CexNdyAl(1‑z)CrzO4+2CO2其中0≤x≤0.01，0＜y≤0.01，0≤z≤0.001；②将精确称重的原料放入干净的聚四氟乙烯球磨罐中，然后再放入预先配比好的玛瑙球，倒入适量高纯无水乙醇，密封完毕后，放入球磨机中，设定转速15‑25rpm，混料时间12‑24h，球磨完毕后，将球磨罐放入烘箱中，设定温度80℃，烘烤6h，确保乙醇完全挥发形成干燥的混合粉料；③将所述的干燥的混合粉料放入有机模具中，在液压机上压制成块或棒；④将压好的块或棒料在马弗炉中1250℃烧结20h，除去原料中的水分，并让原料中CaCO3分解，发生固相反应，形成多晶块料或多晶棒料；⑤将所述的多晶料，采用中频感应加热提拉法生长Cr/Ce/Nd:CaGdAlO4晶体；或者采用浮区法生长Cr/Ce/Nd:CaGdAlO4晶体。...

【技术特征摘要】
1.一种离子掺杂铝酸钙钆激光晶体的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：①按照下列反应方程式，选定比例x、y、z的值，采用纯度为99.999％的高纯CaCO3，Gd2O3，CeO2，Nd2O3，Al2O3，Cr2O3粉末原料，按选定比例称量各氧化物原料：2CaCO3+(1-x-y)Gd2O3+2xCeO2+yNd2O3+(1-z)Al2O3+zCr2O3＝2CaGd(1-x-y)CexNdyAl(1-z)CrzO4+2CO2+(x/2)O2其中0<x≤0.01，0＜y≤0.01，0≤z≤0.001；②将精确称重的原料放入干净的聚四氟乙烯球磨罐中，然后再放入预先配比好的玛瑙球，倒入适量高纯无水乙醇，密封完毕后，放入球磨机中，设定转速15-25rpm，混料时间12-24h，球磨完毕后，将球磨罐放入烘箱中，设定温度80℃，烘烤6h，确保乙醇完全挥发形成干燥的混合粉料；③将所述的干燥的混合粉料放入有机模具中，在液压机上压制成块或棒；④将压好的块或棒料在马弗炉中1250℃烧结20h，除去原料中的水分，并让原料中CaCO3分解，发生固相反应，形成多晶块料或多晶棒料；⑤将所述的多晶料，采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长泰，狄聚青，赛青林，吕正勇，周大华，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31