阅读说明：本技术 一种掺镱硼酸锶钆钇混晶激光晶体及其制备方法和应用 (Ytterbium-doped strontium-gadolinium-yttrium borate mixed crystal laser crystal and preparation method and application thereof ) 是由 潘忠奔 唐开阳 张衍 戴晓军 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钇混晶激光晶体及其制备方法和应用,掺镱硼酸锶钆钇混晶激光晶体的分子式为Sr<Sub>3</Sub>Gd<Sub>x</Sub>Y<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>Y<Sub>y</Sub>Yb<Sub>2-x-y</Sub>(BO<Sub>3</Sub>)<Sub>4</Sub>混晶性能介于Yb:Sr<Sub>3</Sub>Gd<Sub>2</Sub>(BO<Sub>3</Sub>)<Sub>4</Sub>和Yb:Sr<Sub>3</Sub>Y<Sub>2</Sub>(BO<Sub>3</Sub>)<Sub>4</Sub>晶体之间,具有较宽的发射光谱,采用锁模技术,有望获得超短脉冲激光输出。(The invention discloses a ytterbium-doped strontium borate gadolinium yttrium mixed crystal laser crystal and a preparation method and application thereof, wherein the molecular formula of the ytterbium-doped strontium borate gadolinium yttrium mixed crystal laser crystal is Sr 3 Gd x Y 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 Y y Yb 2‑x‑y (BO 3 ) 4 The mixed crystal property is between Yb and Sr 3 Gd 2 (BO 3 ) 4 And Yb: Sr 3 Y 2 (BO 3 ) 4 The crystals have wider emission spectrum, and the mode locking technology is adopted, so that ultrashort pulse laser output is hopeful to obtain.)

一种掺镱硼酸锶钆钇混晶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

激光产生的机理在1917年被爱因斯坦所提出，之后在1960年，第一台激光器问世，在此以后，激光对人类认识世界做出了突出的贡献，对于光学技术也有很强的推动作用。此外，在等离子体物理，固体物理学等学科也有了非常强的。

在激光问世以后，人们便追求更高的激光能量输出，更短的激光脉冲，更大的激光峰值功率。在调Q技术出现以后，纳秒级别的激光脉冲输出成为可能。在锁模技术出现了以后，皮秒和飞秒级别的激光脉冲输出也成为了可能。超快激光因为其满足高的峰值出，光谱较宽，脉冲宽度狭窄的优点，在医学，军事，加工等领域都有着不错的应用前景，因而超快脉冲输出在很多波段的激光研究中都有所展开，成为一个重要的衡量指标。在80年代的时候，块状晶体的发展，使得固体激光器得到了快速的发展，宽光谱的激光晶体的出现进一步的带动了激光技术的发展。块状激光基体拥有导热系数高，热稳定性优良，可以持续稳定的进行工作等优点，对于全固态激光器的小型化，稳定化，高效化有着重要的应用前景。

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，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：

一种掺镱硼酸锶钆钇激光晶体，该激光晶体为Yb³⁺离子掺杂的Sr₃(Gd,Y)(BO₃)₄，该晶体的分子式为Sr₃Gd_xY_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。掺镱硼酸锶钆钇晶体属于正交晶系。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钇激光晶体中，Gd、Y元素会被Yb³⁺所取代。

本发明还提供了所述的掺镱硼酸锶钆钇激光晶体的制备方法，所述的掺镱硼酸锶钆钇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Y₂O₃，纯度为99.99％的SrCO₃，纯度为99.99％的H₃BO₃；

固相反应化学式：

6SrCO₃+(2-x-y)Yb₂O₃+xGd₂O₃+yY₂O₃+8H₃BO₃

进一步的技术方案是，所述的固相反应的步骤如下：将原料充分混合之后，在温度800℃～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4～11rpm。

本发明还提供了所述的掺镱硼酸锶钆钇激光晶体的应用，所述晶体用在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：本发明制备的掺镱硼酸锶钆钇激光晶体无序度更大，Sr₃Gd_xY_yYb_2-x-y(BO₃)₄混晶性能介于Yb:Sr₃Gd₂(BO₃)₄和Yb:Sr₃Y₂(BO₃)₄晶体之间，具有较宽的发射光谱，采用锁模技术，有望获得超短脉冲激光输出。

附图说明

图1为本发明的Sr₃Gd_0.9Y_0.9Yb_0.2(BO₃)₄混晶，以及Sr₃Y_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_0.9Y_0.9Yb_0.2(BO₃)₄混晶，以及Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃Y_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：

6SrCO₃+0.2Yb₂O₃+0.9Gd₂O₃+0.9Y₂O₃+8H₃BO₃

将SrCO₃，Gd₂O₃，Y₂O₃，H₃BO₃，Yb₂O₃称重配好之后，在马弗炉中升温至830℃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4100W，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_0.9Y_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：

6SrCO₃+0.2Yb₂O₃+0.4Gd₂O₃+1.4Y₂O₃+8H₃BO₃

将SrCO₃，Gd₂O₃，Y₂O₃，H₃BO₃，Yb₂O₃称重配好之后，在马弗炉中升温至830℃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4100W，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_0.4Y_1.4Yb_0.2(BO₃)₄，Yb³⁺掺杂浓度为10at％。晶胞参数为

Z＝4。

实施例3：

与例1基本相同，所不同的是x＝1.4，y＝0.4，按照化学反应式：

6SrCO₃+0.2Yb₂O₃+1.4Gd₂O₃+0.4Y₂O₃+8H₃BO₃

将SrCO₃，Gd₂O₃，Y₂O₃，H₃BO₃，Yb₂O₃称重配好之后，在马弗炉中升温至830℃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4100W，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_1.4Y_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Sr₃Y_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Sr₃Y_1.8Yb_0.2(BO₃)₄这两种晶体进行比对。

图1示出了Sr₃Gd_0.9Y_0.9Yb_0.2(BO₃)₄混晶晶体的xrd衍射谱，同Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃Y_1.8Yb_0.2(BO₃)₄两种晶体相比，衍射图谱基本一致，表明所制备的混晶并没有影响晶格结构。

图2示出了Sr₃Gd_0.9Y_0.9Yb_0.2(BO₃)₄混晶晶体的发射光谱，可以看出混晶的发射光谱介于Sr₃Gd_1.8Yb_0.2(BO₃)₄和Sr₃Y_1.8Yb_0.2(BO₃)₄两种晶体之间，都具有比较宽的发射带宽，适合用于锁模激光产生超短脉冲激光输出。

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。