專利名稱：上轉(zhuǎn)換激光晶體Er的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及上轉(zhuǎn)換激光晶體，特別是一種Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體，它適合于InGaAs激光二極管泵浦。
背景技術(shù)：
近幾年，稀土離子摻雜的各種固體材料上轉(zhuǎn)換發(fā)光即吸收紅外泵浦光而發(fā)射可見(jiàn)光的研究非常廣泛。基于紅外激光二極管LD泵浦源的高性能，這樣的上轉(zhuǎn)換激光材料在彩色顯示，光存儲(chǔ)，醫(yī)療診斷，傳感器，海底光通訊等多個(gè)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。多種稀土離子如Er3+，Tm3+，Ho3+等的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能被深入研究，其中Er3+的上轉(zhuǎn)換效率最高，相關(guān)的研究也最多(參考Optics Letters，221412，1997；Applied PhysicsLetters，804510，2002；Journal of Applied Physics，953020，2004)?；|(zhì)材料的特性也是影響上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率的一個(gè)重要因素。
與氧化物晶體比較，氟化物具有低得多的聲子能量，可以大大地降低因多聲子馳豫引起的無(wú)輻射躍遷幾率。與低對(duì)稱性的氟化物晶體如LiYF4，BaY2F8等相比，CaF2具有更低的聲子能量(328cm-1)，更高的熱導(dǎo)率(10W·m-1·K-1)和更好的機(jī)械性能，并且相當(dāng)容易獲得大尺寸的單晶體。因此，早期也有過(guò)關(guān)于Er3+:CaF2晶體的上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究(參考Journal of Applied Physics，604077，1986；Solid State Communications，94379，1995)。但是，由于Er3+在紅外波段缺乏高效的泵浦吸收帶，必須共摻敏化離子。對(duì)Er3+能量轉(zhuǎn)移效率最高的敏化離子是可用高能量的InGaAs激光二極管(LD)泵浦的Yb3+離子，但是在CaF2晶格中Yb離子非常容易形成二價(jià)態(tài)(參考Physical Review，184348，1969)，從而降低能量轉(zhuǎn)移效率。
綜上所述，如果能夠在優(yōu)良的基質(zhì)晶體CaF2中實(shí)現(xiàn)Yb3+→Er3+的高效率的泵浦能量轉(zhuǎn)移，就能夠獲得高效率的上轉(zhuǎn)換發(fā)光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是尋找一種適合于激光二極管泵浦的高效率的紅外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，提供一種Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體，其中Yb3+作為敏化離子，起到轉(zhuǎn)移泵浦能量至Er3+的作用；Na+作為電荷補(bǔ)償離子的同時(shí)，起到阻止Yb3+團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和Yb2+形成的作用，從而大大地提高了Yb3+→Er3+的泵浦能量轉(zhuǎn)移效率。
本發(fā)明具體的實(shí)施方案如下一種Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體，特征在于其組成如下原料 摩爾比ErF30.005～0.1YbF30.02～0.2NaF 0.01～0.2CaF21.0PbF20～0.01所述的NaF的優(yōu)選取值范圍為0.04～0.15。
所述的NaF的最佳取值范圍為0.06～0.1。
所述的PbF2的的取值范圍為0.002～0.004。
所述的Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于采用熔體法生長(zhǎng)，其具體步驟如下選定配方比例稱取所有原料，充分混合均勻后壓制成塊，然后裝入坩堝內(nèi)，采用熔體法生長(zhǎng)上述單晶體。
所述的熔體法是提拉法，或坩堝下降法，或溫度梯度法。
所述的提拉法，坩堝材料為銥，籽晶采用經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面法線方向?yàn)閇111]的CaF2單晶棒，晶體生長(zhǎng)在高純惰性氣氛或含氟氣氛(CF4或HF)中進(jìn)行。
所述的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(zhǎng)在高真空，高純Ar氣氛或含氟氣氛(CF4或HF)中進(jìn)行。
本發(fā)明的特點(diǎn)是該上轉(zhuǎn)換激光晶體可以采用商業(yè)化的InGaAs激光二極管作為十分有效的泵浦光源，Na+的摻入使其在相同泵浦條件下上轉(zhuǎn)換發(fā)光的積分強(qiáng)度提高數(shù)十倍。該晶體可用于開(kāi)發(fā)高效的LD泵浦全固態(tài)上轉(zhuǎn)換可見(jiàn)光激光器。


圖1所示為晶體Er(1.7mol％)，Yb(4.3mol％)，Na(8.9mol％):CaF2在400～1700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的室溫吸收光譜。
圖2中曲線A所示為Er(1.7mol％)，Yb(4.3mol％)，Na(8.9mol％):CaF2晶體在波長(zhǎng)為980nm的InGaAs激光二極管泵浦作用下測(cè)得的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。曲線B為相同條件下測(cè)得的Er3+(1.7mol％)，Yb3+(4.3mol％):CaF2晶體的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，其強(qiáng)度被放大了10倍。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例1提拉法生長(zhǎng)[Er，Yb，Na:CaF2]晶體按ErF3，YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.005∶0.002∶0.01∶0.983稱取原料，混合均勻后在液壓機(jī)上壓制成塊，放于銥坩堝內(nèi)，采用提拉法生長(zhǎng)晶體，籽晶采用經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面法線方向?yàn)閇111]的CaF2單晶棒，晶體生長(zhǎng)在高純N2氣氛中進(jìn)行。
實(shí)施例2溫梯法生長(zhǎng)[Er，Yb，Na:CaF2]晶體按ErF3，YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.009∶0.045∶0.045∶0.9進(jìn)行配料，然后加入含量為0.002mol的PbF2作為去氧劑，混合均勻后在液壓機(jī)上壓制成塊，放于石墨坩堝內(nèi)，坩堝底部無(wú)籽晶。采用溫度梯度法，在高真空氣氛中生長(zhǎng)晶體。
實(shí)施例3溫梯法生長(zhǎng)[Er，Yb，Na:CaF2]晶體按ErF3，YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.017∶0.043∶0.089∶0.85稱取原料，然后加入含量為0.006mol的PbF2作為去氧劑。原料混合均勻后在液壓機(jī)上壓制成塊，放于石墨坩堝內(nèi)，坩堝底部放有經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面法線方向?yàn)閇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(nèi)，在高純Ar氣氛中生長(zhǎng)晶體。將所生長(zhǎng)的晶體切割成片，光學(xué)拋光后在Jasco V-570 UV/VIS/NIR分光光度計(jì)上測(cè)試室溫吸收光譜如圖1所示，其中900～1000nm波段的強(qiáng)吸收帶有利于采用InGaAs激光二極管進(jìn)行泵浦。在Triax550熒光光譜儀上測(cè)試室溫上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，泵浦源采用波長(zhǎng)為980nm的InGaAs激光二極管，熒光測(cè)試范圍為可見(jiàn)光范圍500～700nm。圖2的曲線A所示為測(cè)得的Er(1.7mol％)，Yb(4.3mol％)，Na(8.9mol％):CaF2晶體的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。為了進(jìn)行對(duì)比，圖2的曲線B顯示了在相同條件下測(cè)得的Er3+(1.7mol％)，Yb3+(4.3mol％):CaF2晶體的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，其強(qiáng)度被放大了10倍。曲線A與曲線B的綠光強(qiáng)度積分之比等于31.4；兩者紅光強(qiáng)度積分之比等于39.3；兩者的紅綠光強(qiáng)度積分之和的比等于36.2。
實(shí)施例4坩堝下降法生長(zhǎng)[Er，Yb，Na:CaF2]晶體按ErE3，YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.037∶0.074∶0.148∶0.74稱取原料，然后加入含量等于0.01mol的PbF2作為去氧劑。原料混合均勻后在液壓機(jī)上壓制成塊，放于石墨坩堝內(nèi)，坩堝底部放有經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面法線方向?yàn)閇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(nèi)，在CF4反應(yīng)氣氛中生長(zhǎng)晶體。
實(shí)施例5提拉法生長(zhǎng)[Er，Yb，Na:CaF2]晶體按ErF3，YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.061∶0.115∶0.061∶0.76稱取原料，然后加入含量為0.008mol的PbF2作為去氧劑。原料混合均勻后在液壓機(jī)上壓制成塊，放于銥坩堝內(nèi)，采用提拉法生長(zhǎng)晶體，籽晶采用經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面法線方向?yàn)閇111]的CaF2單晶棒，晶體生長(zhǎng)在高純Ar氣氛中進(jìn)行。
實(shí)施例6坩堝下降法生長(zhǎng)[Er，Yb，Na:CaF2]晶體按ErF3，YbF3，NaF，CaF2的摩爾比為0.069∶0.138∶0.103∶0.69稱取原料，然后加入含量為0.003mol的PbF2作為去氧劑?；旌暇鶆蚝笤谝簤簷C(jī)上壓制成塊，放于石墨坩堝內(nèi)，坩堝底部放有經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面法線方向?yàn)閇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(nèi)，在高純Ar氣氛中生長(zhǎng)晶體。
上述實(shí)施例經(jīng)測(cè)試，典型特性如圖2所示。將實(shí)施例3生長(zhǎng)的Yb，Na:CaF2單晶體切割成片，光學(xué)拋光后在Triax550熒光光譜儀上測(cè)試室溫上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，泵浦源采用波長(zhǎng)為980nm的InGaAs激光二極管，熒光測(cè)試范圍為可見(jiàn)光范圍500～700nm。圖2的曲線A所示為測(cè)得的Er(1.7mol％)，Yb(4.3mol％)，Na(8.9mol％):CaF2晶體的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。為了進(jìn)行對(duì)比，圖2的曲線B顯示了在相同條件下測(cè)得的Er3+(1.7mol％)，Yb3+(4.3mol％):CaF2晶體的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，其強(qiáng)度被放大了10倍。從圖中可見(jiàn)，上轉(zhuǎn)換發(fā)光主要存在兩個(gè)發(fā)射帶510～570nm為綠光；630～690nm為紅光。曲線A與曲線B的綠光強(qiáng)度積分之比等于31.4；兩者紅光強(qiáng)度積分之比等于39.3；兩者的紅綠光強(qiáng)度積分之和的比等于36.2。由此可見(jiàn)，在Er3+，Yb3+:CaF2晶體中摻入一定量的Na+可以大大地提高Er3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體，特征在于其組成如下原料摩爾比ErF30.005～0.1YbF30.02～0.2NaF 0.01～0.2CaF21.0PbF20～0.01
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體，其特征在于所述的NaF的取值范圍為0.04～0.15。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體，其特征在于所述的NaF的取值范圍為0.06～0.1。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體，其特征在于所述的PbF2的的取值范圍為0.002～0.004。
5.權(quán)利要求1所述的Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于采用熔體法生長(zhǎng)，其具體步驟如下選定配方比例稱取所有原料，充分混合均勻后壓制成塊，然后裝入坩堝內(nèi)，采用熔體法生長(zhǎng)上述單晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述的熔體法是提拉法，或坩堝下降法，或溫度梯度法。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述的提拉法，坩堝材料為銥，籽晶采用經(jīng)X射線衍射儀精確定向端面法線方向?yàn)閇111]的CaF2單晶棒，晶體生長(zhǎng)在高純惰性氣氛或含氟氣氛中進(jìn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的Er3+，Yb3+和Na+共摻的CaF2紅外上轉(zhuǎn)換激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述的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(zhǎng)在高真空，高純Ar氣氛或含氟氣氛中進(jìn)行。
全文摘要
一種Er
文檔編號(hào)C30B29/12GK1676679SQ20051002347
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月20日
發(fā)明者蘇良碧, 徐軍, 李紅軍, 司繼良 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所