阅读说明：本技术 一种掺镱硼酸锶钆镧激光晶体及其制备方法和应用 (Ytterbium-doped strontium gadolinium lanthanum borate laser crystal and preparation method and application thereof ) 是由 潘忠奔 唐开阳 戴晓军 张衍 何亭 居佳 袁浩 蔡华强 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种掺镱硼酸锶钆镧混晶激光晶体及其制备方法和应用,掺镱硼酸锶钆镧混晶激光晶体的分子式为Sr<Sub>3</Sub>Gd<Sub>x</Sub>La<Sub>y</Sub>Yb<Sub>2-x-y</Sub>(BO<Sub>3</Sub>)<Sub>4</Sub>,其中x＝0～2,y＝0～2,Yb<Sup>3+</Sup>离子的掺杂浓度为5at.％至30at.％。实验结果表明所制备的Sr<Sub>3</Sub>Gd<Sub>x</Sub>La<Sub>y</Sub>Yb<Sub>2-x-y</Sub>(BO<Sub>3</Sub>)<Sub>4</Sub>混晶较Yb:Sr<Sub>3</Sub>Gd<Sub>2</Sub>(BO<Sub>3</Sub>)<Sub>4</Sub>和Yb:Sr<Sub>3</Sub>La<Sub>2</Sub>(BO<Sub>3</Sub>)<Sub>4</Sub>两种晶体,具有更宽的发射光谱以及更大的无序度,采用锁模技术,有望获得更短的超短脉冲激光输出。(The invention discloses a ytterbium-doped strontium gadolinium lanthanum borate mixed crystal laser crystal and a preparation method and application thereof, wherein the molecular formula of the ytterbium-doped strontium gadolinium lanthanum borate mixed crystal laser crystal is Sr 3 Gd x La y Yb 2‑x‑y (BO 3 ) 4 Wherein x is 0-2, y is 0-2, Yb 3+ The doping concentration of the ions is 5 at.% to 30 at.%. The experimental result shows that the prepared Sr 3 Gd x La y Yb 2‑x‑y (BO 3 ) 4 Mixed crystal of Yb and Sr 3 Gd 2 (BO 3 ) 4 And Yb: Sr 3 La 2 (BO 3 ) 4 Two kinds of crystals having a broader emission spectrum and being largerThe disorder degree of the laser is expected to obtain shorter ultrashort pulse laser output by adopting a mode locking technology.)

一种掺镱硼酸锶钆镧激光晶体及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于激光晶体材料领域，具体涉及一种激光晶体的制备方法和应用以及在固体激光器中的应用。

背景技术

按照不同的微观结构，激光晶体大致可以分成两大类：具有单一激活离子的中心有序晶体材料以及占据着不同晶格位置的多种激活离子中心的无序激光材料。

在无序晶体的内部结构中，比较常见的类型是一种或者几种不同的离子随机占据着晶格中的同一种位置，相对于传统的有序晶体，无序晶体有着很多独特的性质，例如非均匀性加宽的荧光光谱，较好的热性能：较低的热膨胀系数，相对而言较高的导热系数。这些都支持了激光晶体在高功率情况下的持续工作的能力。相对而言，吸收光谱相比于传统有序的晶体也有一定的加宽，这都让无序晶体在激光晶体的研究之中有较好的应用场景。同时稀土离子作为一种常用的激活离子，其电子层结构决定了其发射易受外层电子云的屏蔽，在有序晶体之中，其发射光谱较为狭窄。而玻璃的发射谱较宽，但是热性能以及机械性能都较差，难以满足需要。作为无序晶体，介于传统的有序晶体和玻璃之间的一种材料，很好的弥补了这两种材料不足之处，可以满足绝大部分的场合的应用。因为其无可比拟的优点，在近些年的时间，无序晶体掺杂稀土离子的研发的发展十分的迅猛。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种产生了1微米超短脉冲的激光晶体材料，材料的无序度更大，可以获得更宽的吸收光谱和发射光谱，之后通过锁模技术更有利于产生超短的脉冲激光。

为了达到上述的技术效果，本发明采用以下技术方案：

一种掺镱硼酸锶钆镧激光晶体，该激光晶体为Yb³⁺离子掺杂的Sr₃(Gd,La)(BO₃)₄，该晶体的分子式为Sr₃Gd_xLa_yYb_2-x-y(BO₃)₄，其中x＝0～2，y＝0～2，Yb³⁺离子的掺杂浓度为5at.％至30at.％。at.％的含义为原子数百分比含量。其中经过多次实验的验证，当x＝0～2，y＝0～2，Yb³⁺的掺杂浓度为0～30at％晶体的质量最好。晶体的分子式中x≠0，y≠0。

进一步的技术方案是，所述的掺镱硼酸锶钆镧激光晶体中，Gd、La元素会被Yb³⁺所取代。

本发明还提供了所述的掺镱硼酸锶钆镧激光晶体的制备方法，该激光晶体由下述原料通过固相反应得到混晶后再采用提拉法制备而成：

原料：纯度为99.99％的Gd₂O₃、纯度为99.99％的Yb₂O₃、纯度为99.99％的La₂O₃、纯度为99.99％的SrCO₃、纯度为99.99％的H₃BO₃；

固相反应化学式：

进一步的技术方案是，所述的固相反应的步骤如下：将所述原料充分混合之后，在温度900℃～1000℃进行固相反应20～24h，再升温至1000℃～1200℃进行反应24～30h，得到多晶料。

进一步的技术方案是，所述提拉法的步骤为将多晶料置于提拉炉中，生长的提拉速度为0.5～3mm/h，转速为5～11rpm。

本发明还提供了所述的掺镱硼酸锶钆镧激光晶体的应用，所述的晶体用在1μm固体锁模激光器中产生超快激光脉冲。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明制备的Sr₃Gd_xLa_yYb_2-x-y(BO₃)₄混晶较Yb:Sr₃Gd₂(BO₃)₄和Yb:Sr₃La₂(BO₃)₄两种晶体，具有更宽的发射光谱以及更大的无序度，采用锁模技术，有望获得更短的超短脉冲激光输出，可在1μm固体锁模激光器中产生超短激光脉冲。

附图说明

图1为本发明的Sr₃Gd_0.9La_0.9Yb_0.2(BO₃)₄混晶，以及Sr₃La_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄的XRD衍射图像。

图2为本发明的Sr₃Gd_0.9La_0.9Yb_0.2(BO₃)₄混晶，以及Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃La_1.8Yb_0.2(BO₃)₄的发射光谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

x＝0.9，y＝0.9按照下列方程式：

将SrCO₃，Gd₂O₃，La₂O₃，H₃BO₃，Yb₂O₃称重配好之后，在马弗炉中升温至930℃固相反应20h，再升温至1030℃，保温24h，进行进一步的固相反应，生成多晶料。

多晶料使用提拉法制备单晶，将多晶料放置于铱金坩埚之中，为了防止铱金坩埚被氧化，向其中通入氩气作为保护气体。设置升温程序，在5h内升至4200W，之后使用籽晶提拉生长，生长时提拉速率为2mm/h，籽晶杆转速为8rpm，直至生长得到尺寸Ф25×45mm³的单晶。之后设置退火程序使晶体温度降到室温。

此实例生长的晶体化学式为Sr₃Gd_0.9La_0.9Yb_0.2(BO₃)₄，Yb³⁺掺杂浓度为10at.％。晶胞参数为Z＝4。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是x＝0.4，y＝1.4，按照化学反应式：

将SrCO₃，Gd₂O₃，La₂O₃，H₃BO₃，Yb₂O₃称重配好之后，在马弗炉中升温至930℃固相反应20h，再升温至1030℃，保温24h，进行进一步的固相反应，生成多晶料。

多晶料使用提拉法制备单晶，将多晶料放置于铱金坩埚之中，为了防止铱金坩埚被氧化，向其中通入氩气作为保护气体。设置升温程序，在5h内升至4200W，之后使用籽晶提拉生长，生长时提拉速率为2mm/h，籽晶杆转速为8rpm，直至生长得到尺寸Ф25×45mm³的单晶。之后设置退火程序使晶体温度降到室温。

此实例生长的晶体化学式为Sr₃Gd_0.4La_1.4Yb_0.2(BO₃)₄，Yb³⁺掺杂浓度为10at.％。晶胞参数为

Z＝4。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是x＝1.4，y＝0.4，按照化学反应式：

将SrCO₃，Gd₂O₃，La₂O₃，H₃BO₃，Yb₂O₃称重配好之后，在马弗炉中升温至930℃固相反应20h，再升温至1030℃，保温24h，进行进一步的固相反应，生成多晶料。

多晶料使用提拉法制备单晶，将多晶料放置于铱金坩埚之中，为了防止铱金坩埚被氧化，向其中通入氩气作为保护气体。设置升温程序，在5h内升至4200W，之后使用籽晶提拉生长，生长时提拉速率为3mm/h，籽晶杆转速为11rpm，直至生长得到尺寸Ф25×45mm³的单晶。之后设置退火程序使晶体温度降到室温。

此实例生长的晶体化学式为Sr₃Gd_1.4La_0.4Yb_0.2(BO₃)₄，Yb³⁺掺杂浓度为10at.％。晶胞参数为

Z＝4。

实施例4

将实施例1生长好的晶体切割部分研成粉末，测量其XRD衍射图谱(图1)，并同Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃La_1.8Yb_0.2(BO₃)₄这两种晶体进行比对。

将实施例1生长好的晶体加工成6*6*2mm³的样品，测量其发射光谱(图2)，并同Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃La_1.8Yb_0.2(BO₃)₄这两种晶体进行比对。

图1示出了Sr₃Gd_0.9La_0.9Yb_0.2(BO₃)₄混晶晶体的XRD衍射谱，同Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃La_1.8Yb_0.2(BO₃)₄两种晶体相比，衍射图谱与二者保持一致，表明所制备的混晶并没有影响晶格结构。

图2是Sr₃Gd_0.9La_0.9Yb_0.2(BO₃)₄混晶晶体的发射光谱，与Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃La_1.8Yb_0.2(BO₃)₄两种晶体相比，其发射光谱有一定的非均匀性加宽，说明有比较大的应用前景；也说明了Sr₃Gd_0.9La_0.9Yb_0.2(BO₃)₄晶体较Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃La_1.8Yb_0.2(BO₃)₄两种晶体具有更大的无序度。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。