一种掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体及其制备方法与应用，该晶体的化学式为Pr

【技术实现步骤摘要】
一种掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及激光材料
，涉及一种可见波段激光晶体及其制备方法，特别涉及一种掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]可见光在我们的日常生活中有着不可或缺的作用，然而可见光(380～780nm)激光在生物医疗、激光显示、光通讯、光存储、深水探测、激光打印等领域有着重要的应用的前景和研究价值。目前，可见光激光输出的方式主要有三种：1)近红外波段的激光经过非线性晶体倍频的方式实现可见波段激光输出；2)通过上转换的方式，这种方式相对非线性倍频较为简单；3)通过二极管直接泵浦激活离子(稀土离子或过渡元素离子)掺杂的增益介质来获得可见光激光输出。2014年，诺贝尔物理学奖授予来自日本的三位科学家以表彰他们在蓝光发光二极管方面的重大发现。随后，通过高效的蓝光泵浦源(包括InGaN/GaN激光二极管和倍频光泵浦半导体激光器)直接泵浦的激活离子掺杂增益介质出可见光激光得以快速发展。
[0003]国内外直接发射可见光激光的研究大部分集中于镨(Pr)、镝(Dy)、铽(Tb)、钐(Sm)、钬(Ho)、铒(Er)、铕(Eu)等几种稀土离子。其中相比于其他的稀土离子，三价Pr
3+
离子由于特有的能级结构及在可见光波段有丰富的能级跃迁，成为最具潜力的可见光波段的激活离子。Pr
3+
离子在445nm、468nm和486nm处，吸收截面达到10
‑
19
cm2量级。其中445nm处的吸收峰与InGaN激光二极管泵浦源的发射波长非常吻合，468nm处的吸收峰与2ω
‑
OPSLs泵浦源的发射波长非常吻合。Pr
3+
离子主要的发射跃迁有7条，分别为3P0→3F4(725nm深红光)、3P0→3F3(695nm深红光)、3P0→3F2(644nm红光)、3P0→3H6(623nm红橙光)、3P0→3H5(548nm绿光)、3P1→3H5(525nm绿光)和3P0→3H4(486nm蓝光)，发光范围几乎覆盖了可见光波段的蓝光、绿光、橙光、红光、深红光。因此，Pr
3+
掺杂激光材料是目前最有潜力的可见波段激光材料。
[0004]通过对Pr
3+
离子掺杂激光晶体材料的可见光的激光阈值、输出功率和斜率效率等激光性能的分析和比较，发现Pr
3+
离子掺杂氟化物晶体材料实现可见光激光输出的报道较多。在所有Pr
3+
离子掺杂的氟化物晶体材料中，Pr:YLF晶体在各个波段激光输出的激光性能最好，在绿光、橙光以及红光波段的激光输出功率均已达到了瓦级。2014年，用2
‑
OPSL泵浦的Pr:YLF晶体在深红波段(720nm)实现输出功率为1W，斜效率为53％的激光输出。2016年，在2
×
2ω
‑
OPSL激光泵浦下的Pr:YLF晶体已产生输出功率高达4.2W、斜率效率为45％的绿光(523nm)激光输出。2018年，同样的材料在室温蓝光LD泵浦的条件下，产生了输出功率高达6.7W、斜效率为45.5％的红光(640nm)激光输出，这是目前Pr
3+
掺杂激光晶体的最高输出功率。
[0005]此外，超快脉冲激光具有超短响应时间、较高峰值功率等特点，显而易见是可见光波段激光下一步发展重点。到目前为止，Sutherland J M等采用和Tong Y P等相同的腔型设计在Pr:LiYF4中获得平均功率45mW、脉冲宽度为400fs、波长为613nm的激光输出，该实验报道的飞秒激光输出脉冲是目前掺Pr
3+
离子激光晶体获得的最短脉冲，也是唯一的飞秒
(fs)脉冲输出。根据不确定性原理γ
·
τ≧const(γ为频镨宽度，τ为脉冲宽度)，为了得到更短的激光脉冲，就必须有足够宽的光镨。究其原因，主要是Pr
3+
激光晶体的各个可见光激光通道荧光谱带普遍偏窄，难以实现LD泵浦全固态fs超快激光输出。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体及其制备方法与应用。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体，该晶体的化学式为Pr
x
Lu
y
Ca1‑
x
‑
y
F2，其中x的取值范围为0.003
‑
0.006，y的取值范围为0.03
‑
0.285，其空间群为Fm
‑
3m(225)，属于立方晶系，在掺杂浓度范围内，晶胞参数范围为其中，x为Pr的原子百分比，y为Lu的原子百分比。优选地，x值取0.006，y值取0.1，晶胞参数为
[0008]无序分布的混合型Pr
x
Lu
y
Ca1‑
x
‑
y
F2晶体，(x的取值范围为0.003
‑
0.006，y的取值范围为0.03
‑
0.285)，仍属于立方晶系，除了具有较低的声子能量和较小5d能级劈裂，可大大降低由多声子驰豫而引起的无辐射跃迁几率以及5d能级位置偏低引起激光上能级激发态吸收外，还在原子、分子和基团尺度上调控Pr
3+
离子的局域配位结构，在Pr:CaF2晶体中引入调剂离子Lu
3+
离子时，Lu
3+
和Pr
3+
都将取代Ca
2+
格位，一方面，Lu
3+
离子的掺入可以打破Pr
3+
离子的团簇结构，实现高效激光输出，另一方面，Lu
3+
离子的掺入、以化合物组分的形式形成(Ca,Lu)F2无序分布的混合型氟化物晶体，形成真正有效的激活离子“无序”，进而使相近下能级出现合并和交叠，从而达到荧光谱线的重迭、非均匀加宽的效果。
[0009]一种上述掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体的制备方法，采用坩埚下降法生长，该方法主要包括以下步骤：
[0010](1)以PrF3、LuF3和CaF2单晶颗粒或粉末作为原料，按照化学式Pr
x
Lu
y
Ca1‑
x
‑
y
F2计算每种原料所需的质量并准确称量；
[0011](2)将称量好的原料粉末充分研磨使其混合均匀，然后装入多孔石墨坩埚；
[0012](3)在原料中加入PbF2作为除氧剂，并盖上石墨盖；
[0013](4)将石墨坩埚放置热场中，把装好料的多孔石墨坩埚放置热场中进行抽真空，对炉内充入惰性气体，升温以确保完全化料和排杂完成，然后使坩埚缓慢下降，进行晶体生长，在生长结束后，降至室温，然后取出晶体。
[0014]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体，其特征在于，该晶体的化学式为Pr
x
Lu
y
Ca1‑
x
‑
y
F2，其中x的取值范围为0.003
‑
0.006，y的取值范围为0.03
‑
0.285，其空间群为Fm
‑
3m(225)，属于立方晶系，在掺杂浓度范围内，晶胞参数范围为2.一种如权利要求1所述的掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体的制备方法，其特征在于，采用坩埚下降法生长，该方法主要包括以下步骤：(1)以PrF3、LuF3和CaF2单晶颗粒或粉末作为原料，按照化学式Pr
x
Lu
y
Ca1‑
x
‑
y
F2计算每种原料所需的质量并准确称量；(2)将称量好的原料粉末充分研磨使其混合均匀，然后装入多孔石墨坩埚；(3)在原料中加入PbF2作为除氧剂，并盖上石墨盖；(4)将石墨坩埚放置热场中，把装好料的多孔石墨坩埚放置热场中进行抽真空，对炉内充入惰性气体，升温以确保完全化料和排杂完成，然后使坩埚缓慢下降，进行晶体生长，在生长结束后，降至室温，然后取出晶体。3.根据权利要求2所述的掺镨氟镥钙复合可见波段激光晶体的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的PrF3,LuF3和CaF2单晶颗粒或粉末的纯度为5N纯度。4.根据权利要求2所述的掺镨氟镥钙复合可见波...

【专利技术属性】
技术研发人员：王无敌，徐军，田杰，薛艳艳，董建树，王庆国，唐慧丽，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：