專利名稱：降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及摻鐿氟化鈣晶體，即Yb3+:CaF，特別是一種降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb2+濃度的方法，通過Na+共摻降低Yb3+:CaF2晶體中Yb2+的濃度的方法，以提高該材料中的激活離子Yb3+的有效濃度。
背景技術：
由于InGaAs激光二極管(LD)在0.9～1.1微米波長范圍內的高發(fā)光性能，人們對Yb3+摻雜的材料作為高效率和高功率的激光系統(tǒng)的研究興趣持續(xù)增長。Yb3+離子在近紅外光譜區(qū)域簡單的二能級結構使其具有非常的量子缺陷(＜10％)，從而降低激光運作過程中的熱載荷，避免上轉換和激發(fā)態(tài)吸收等不利效應。相關的研究工作過去主要集中在Yb3+摻雜的氧化物激光基質，例如Yb3Al5O12(YAG)，Ca5(PO4)3F(FAP)，Y2SiO5(YSO)等(參見Opt.Lett.1991，161089；IEEE J.Quantum Electron.1994，30170；Optical Mater.2002，1981)。與氧化物相比，氟化物具有如下優(yōu)越的性質從真空紫外到紅外波長范圍的透光率非常高，低的折射率可以限制高強度激光泵浦作用下的非線性效應，低的聲子能量降低相鄰能級之間的非輻射馳豫。
各種氟化物中，CaF2具有較低的聲子能量(328cm-1)，高的熱導率(10Wm-1K-1)，而且很容易生長成大尺寸單晶。最近，Yb:CaF2晶體的激光性能受到了人們的關注(參見Appl.Phys.B 2004，78681；Opt.Lett.2004，291879)，獲得了高功率可調諧的LD泵浦激光輸出，波長調諧范圍為1018～1072nm。但是，Yb離子的外層電子結構傾向于充滿4f殼層，形成穩(wěn)定的4f14(Yb2+)結構。特別是進入CaF2晶格中取代Ca2+，更容易以二價的形式存在，從而降低激活離子Yb3+的有效濃度(參見Phys.Rev.1969，184348)。因此，如何抑制Yb3+:CaF2晶體中Yb2+的形成，提高激活離子的有效濃度，對于提高該激光材料的發(fā)光效率是很有意義的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是降低Yb3+:CaF2激光晶體中Yb2+的濃度，提供一種降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb2+濃度的方法。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb2+濃度的方法，其特征是在生長摻鐿氟化鈣晶體時同時引入Yb3+和Na+，具體步驟如下①選定原料配方初始原料采用YbF3，NaF，CaF2和PbF2，前三種原料按摩爾比等于x∶y∶1進行配料，其中x等于0.005～0.2，y等于0.0005～0.2，PbF2的加入量為0～0.01mol；②采用熔體法生長Yb，Na:CaF2單晶體按選定的配方稱取所有原料，充分混合均勻后壓制成塊，然后裝入坩堝內，采用熔體法生長單晶體。
所述的PbF2加入量的優(yōu)選范圍為0.002～0.004mol。
所述的生長單晶體熔體法是提拉法，坩堝材料為銥，籽晶采用經X射線衍射儀精確定向端面法線方向為[111]的CaF2單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。
所述的生長單晶體熔體法為坩堝下降法，或溫度梯度法，坩堝材料采用高純石墨，坩堝底部可以不放籽晶，或放入上述提拉法中所述的CaF2單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。
本發(fā)明采用Na+作為電荷補償離子，與Yb3+共摻入CaF2中生長Yb3+，Na+:CaF2單晶體。Na+的引入非常有效地降低了體系中Yb2+的濃度。上述晶體可用作高效的LD泵浦激光工作物質。


圖1為Yb，Na:CaF2與Yb:CaF2單晶體在190～450nm波長范圍內的室溫紫外吸收光譜，其中曲線a表示單摻Yb(2.0at％):CaF2晶體；曲線b表示Yb(2at％)，Na(3at％):CaF2晶體；曲線c表示Yb(2at％)，Na(20at％):CaF2晶體。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明的關鍵是在CaF2基質中同時引入Yb3+和Na+，Na+和Yb3+在取代Ca2+時形成電荷互補以達到系統(tǒng)的電荷平衡，從而阻止Yb2+的形成，以提高有效激活離子Yb3+的濃度。
本發(fā)明的降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb2+濃度的方法，是在生長摻鐿氟化鈣晶體時同時引入Yb3+和Na+，具體步驟如下①選定原料配方初始原料采用YbF3，NaF，CaF2和PbF2，前三種原料按摩爾比等于x∶y∶1進行配料，其中x選擇范圍為0.005～0.2，y選擇范圍為0.0005～0.2，PbF2加入量的選擇范圍為0～0.01mol；②采用熔體法生長Yb，Na:CaF2單晶體按選定的配方稱取所有原料，充分混合均勻后壓制成塊，然后裝入坩堝內，采用熔體法生長單晶體。
具體實施例如下實施例1提拉法生長[Yb(0.5at％)，Na(2.5at％):CaF2]晶體按YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.005∶0.025∶1稱取原料，然后加入0.01mol的PbF2作為去氧劑，混合均勻后在液壓機上壓制成塊，放于銥坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經X射線衍射儀精確定向端面法線方向為[111]的CaF2單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。
實施例2溫梯法生長[Yb(2at％)，Na(3at％):CaF2]晶體按YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.02∶0.03∶1進行配料，混合均勻后在液壓機上壓制成塊，放于石墨坩堝內，坩堝底部無籽晶。采用溫度梯度法，在高純Ar氣氛中生長晶體。將所生長的晶體毛胚切割成片，光學拋光后在Jasco V-570 UV/VIS/NIR分光光度計上測試室溫吸收光譜。圖1中曲線b所示為該晶體的紫外吸收光譜，相比于同濃度Yb單摻CaF2晶體，吸收系數(shù)明顯減小，表明Yb2+的濃度下降。
實施例3溫梯法生長[Yb(2at％)，Na(20at％):CaF2]晶體按YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.02∶0.2∶1稱取原料，然后加入0.007mol的PbF2作為去氧劑。原料混合均勻后在液壓機上壓制成塊，放于石墨坩堝內，坩堝底部放有經X射線衍射儀精確定向端面法線方向為[111]的CaF2單晶棒作為籽晶。裝好原料的石墨坩堝放入溫度梯度爐內，在高純Ar氣氛中生長晶體。將所生長的晶體毛胚切割成片，光學拋光后在Jasco V-570 UV/VIS/NIR分光光度計上測試室溫吸收光譜。圖1中曲線c所示為該晶體的紫外吸收光譜，相比于實施例2中Yb(2at％)，Na(3at％):CaF2晶體(曲線b)，吸收系數(shù)進一步顯著降低，對應著Yb2+的濃度下降。
實施例4坩堝下降法生長[Yb(5at％)，Na(10at％):CaF2]晶體按YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.05∶0.1∶1稱取原料，然后加入0.003mol的PbF2作為去氧劑。原料混合均勻后在液壓機上壓制成塊，放于石墨坩堝內，坩堝底部放有經X射線衍射儀精確定向端面法線方向為[111]的CaF2單晶棒作為籽晶。裝好原料的石墨坩堝放入坩堝下降爐內，在高純Ar氣氛中生長晶體。
實施例5提拉法生長[Yb(10at％)，Na(15at％):CaF2]晶體按YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.1∶0.15∶1稱取原料，然后加入0.008mol的PbF2作為去氧劑。原料混合均勻后在液壓機上壓制成塊，放于銥坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶采用經X射線衍射儀精確定向端面法線方向為[111]的CaF2單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。
實施例6坩堝下降法生長[Yb(20at％)，Na(2at％):CaF2]晶體按YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.2∶0.02∶1稱取原料，混合均勻后在液壓機上壓制成塊，放于石墨坩堝內，坩堝底部放有經X射線衍射儀精確定向端面法線方向為[111]的CaF2單晶棒作為籽晶。裝好原料的石墨坩堝放入坩堝下降爐內，在高純Ar氣氛中生長晶體。
吸收光譜測試表征Yb2+的濃度將上述實施例中生長的Yb，Na:CaF2單晶體切割成片，光學拋光后在Jasco V-570 UV/VIS/NIR分光光度計上測試室溫吸收光譜，190～450nm范圍內的吸收峰屬于Yb2+離子的f→d躍遷，根據(jù)吸收系數(shù)的強弱定性地分析Yb2+的相對濃度。圖1所示為Yb，Na:CaF2單晶體在190～450nm波長范圍內的吸收光譜與Yb:CaF2對比。圖中曲線a表示單摻Yb(2.0at％):CaF2晶體；曲線b表示Yb(2at％)，Na(3at％):CaF2晶體；曲線c表示Yb(2at％)，Na(20at％):CaF2晶體。從圖中可見，Na+的摻入顯著地降低了Yb2+的吸收系數(shù)，對應著Yb2+濃度減小，且隨Na+摻雜濃度的增加Yb2+的吸收強度速度減弱。
權利要求
1.一種降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb2+濃度的方法，其特征是在生長摻鐿氟化鈣晶體時同時引入Yb3+和Na+，具體步驟如下①選定原料配方初始原料采用YbF3，NaF，CaF2和PbF2，前三種原料按摩爾比等于x∶y∶1進行配料，其中x等于0.005～0.2，y等于0.0005～0.2，PbF2的加入量為0～0.01mol；②采用熔體法生長Yb，Na∶CaF2單晶體按選定的配方稱取所有原料，充分混合均勻后壓制成塊，然后裝入坩堝內，采用熔體法生長單晶體。
2.根據(jù)權利要求1所述的降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb2+濃度的方法，其特征是所述的PbF2加入量的優(yōu)選范圍為0.2～0.004mol。
3.根據(jù)權利要求1所述的降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb2+濃度的方法，其特征在于所述的生長單晶體熔體法是提拉法，坩堝材料為銥，籽晶采用經X射線衍射儀精確定向端面法線方向為[111]的CaF2單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。
4.根據(jù)權利要求1所述的降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb2+濃度的方法，其特征在于所述的生長單晶體熔體法為坩堝下降法，或溫度梯度法，坩堝材料采用高純石墨，坩堝底部可以不放籽晶，或放入上述提拉法中所述的CaF2單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。
全文摘要
一種降低摻鐿氟化鈣晶體中Yb
文檔編號C30B11/00GK1635193SQ20041008902
公開日2005年7月6日 申請日期2004年12月2日 優(yōu)先權日2004年12月2日
發(fā)明者蘇良碧, 徐軍, 李紅軍, 董永軍, 趙志偉 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所