Yb_YAB晶体的生长及性质研究

人工晶体学报第27 卷第3 期
1998 年8 月Vol . 27 No .3
J O U RNAL O F S Y N T H E T I C CR YS T AL S August ,1998
Yb∶Y A B 晶体的生长及性质研究3
田丽莉王继扬魏景谦潘恒福刘耀岗
( 山东大学晶体材料国家重点实验室,250100 济南)
提要:本文首次报道了Yb
x
Y1 - x Al (BO3 ) 4 ( 简称Yb∶Y AB) 晶体的生长及光学性质。

根据测定的Yb∶Y AB晶体的折射率计算其一类位相匹配角θm ( I) = 34°12′,与实验中测定的θm ( I) = 34°38′符合的较好。

在室温吸收谱956nm 和975nm 处存在两个吸收带,能与In G aAs L D有效耦合。

1 . 03μm
和1 . 04μm 处各存在一荧光峰,1 . 03μm 处荧光寿命为1 . 397ms 。

关键词:激光晶体, Yb∶Y AB 晶体,熔盐法晶体生长,光谱性质,自倍频激光晶体
G ro wth an d Opt i cal Propert i es of Yb∶YAB C rystal
T i a n L i l i W a n g J i y a n g W e i J i n g qi a n Pa n H e n f u L i u Y a og a n g
( St at e K ey L a b. of Cryst al Mat erials ,Shando ng U niversit y ,J inan 250100 ,China)
( Recei ved 25 Febr u a r y 1998 , accepted 20 A p ri l1998)
Abstract
In t his paper , t he growt h and op tical p roperties of Y b x Y1 - x Al (BO3 ) 4 ( abbrevi ated as Y b∶YAB) crystal are repo rted. The ex perimental result s show s t hat t he K2 Mo3 O10 flux system is goo d fo r Y b∶Y AB crystal growt h. The t y pe I p h ase matching angle of it is θm
( I) = 34°12′w h ich fit s e x perimental p h ase angle θm ( I) = 34°38′well .In t h e abso r p t i o n
spect ra , t here are t wo abso rp t i o n bands at 956 n m and 975 n m respectively , w hi ch is suitable fo r In G aA s di o d e laser p u mping. In t h e fluo r escence spect r a , t h ere are t w o fluo r escence peak at 1 . 03μm and 1 . 04μm respectively ,and t h e fluo r escene li f etime at 1 .
03μm is 1 . 397 ms.
K ey w ords : laser crystal , f lux met h o d , Y b ∶Y AB crystal , spect r um p ropert y , sel f
f r equency2do u blin
g crystal
1 引言
自倍频晶体是一类将激光性能和倍频功能复合于一体的复合功能材料。

1969 年Johns on 等在T m ∶LiNbO3 晶体上首次实现了自倍频激光运转1 ,由于激光器的结构简单,操作方便,由此引起科学界的注目, 从而自倍频晶体成为科研工作者的探索热点。

其中Nd x Y1 - x Al3 (BO3 ) 4
(简称 N Y AB ) 晶体是一种有着优良 光 学 性 能 和 机 械 性 能 的 自 倍 频 晶 体2 ,3 , 但 生 长 较 为 困
难4 ,5 ,6。

为此 ,我们从四硼酸双盐晶体中重新选择激活离子 ,考虑到 Y b 3 + 和 Y 3 + 半径相近 , 而且 Y b 3 + 离子为两能级结构 ,在晶体场的作用下上能级2 F 5/ 2 分裂成三个能级 ,下能级2 F 7/ 2 分 裂成四个能级 ,形成准三能级激光运转机制 ,没有上转换损耗 ,可能使其阈值较低 。

此外 Y b 3 +仅在 980 n m 附近存在一个吸收带 ,适于 In G aA s L D 泵浦 ,目前成为国内外研究的热点 ,我们生长了 Y b x Y 1 - x Al 3 (BO 3 ) 4 (简称 Y b ∶Y AB ) 晶体 。

本论文简要地报道 Y b ∶Y AB 晶体的生长及光学性质 。

2 晶体生长
Y b ∶YAB 晶体为非同成分熔融化合物 ,只能采用助熔剂法生长 。

本实验尝试文献中报道
过的 多 种 助 熔 剂 体 系 , 如 K 2B 4 O 7 、Li 2B 4 O 7 、Li 2 O 2B 2 O 3 、BaO 2B 2 O 3 、BaO 2B 2 O 32Ba F 2 、Na 2 WO 4 、
K 2 WO 4 和 K 2 O 2MoO 32BiO 3 等 ,实验结果表明这些体系中以 K 2 O + 3MoO 3 ,即 K 2 Mo 3 O 10 为主
的助熔剂体系中生长的晶体质量较好 。

生长实验采用立式电阻加热炉 ,用顶端籽晶旋转缓慢降温法生长 Y b ∶Y AB 晶体 ,原料为 分析纯和高纯的 Al 2 O 3 ,B 2 O 3 ,MoO 3 , K 2 CO 3 , Y 2 O 3 和 Y b 2 O 3 。

助熔剂体系为 :
K 2 CO 3 + 3MoO 3 = K 2 Mo 3 O 10 + CO 2 ξ
将配 制 好 的 料 放 入 Pt 坩 埚 中 , 升 温 到 1100 ℃左右化料 ,恒温 48 h ,然后降温至饱和点温度附近 ,用籽晶试探精确测定饱和点温度 ,升
温至饱和点温度以上 100 ℃,恒温 12 h ,降温至饱和点温度以上 10 ～ 15 ℃, 下入籽晶 , 将温度迅速降至饱和点以上 1～2 ℃,恒定 12 h ,旋转籽晶降温 ,初始降温速度为 0 . 4 ～ 1 ℃/ d ,最后降
温速度为 2 ～ 4 ℃/ d 。

生长周期为 45 ～ 50d 左 Fig. 1 Pict u re of Yb ∶Y AB cryst al
右 。

实验中得到有较大透明区的厘米级的 Y b ∶
Y AB 大单晶 ,如图 1 所示 。

3 晶体的位相匹配角的计算
利用 V 棱镜法和由 Hg ,Na , H , He 灯发出的 7 条谱线 ,测定了 Y b ∶Y AB 晶体的折射率 ,结 果见表 1 所示 。

T a b le 1 I n d exes of ref r action f o r Yb ∶YAB crystals
n o (exp . )
n o (cal . )
n e (exp . )
n e (cal . )
Wavelengt h (
μm ) 0 . 70625 0 . 65628 0 . 58930 0 . 54607 0 . 48631
0 . 43584
1 . 7691
2 1 . 77149 1 . 77367 1 . 77699 1 . 78117 1 . 78457
1 . 76981 1 . 77180 1 . 77446 1 . 77630 1 . 77958 1 . 78540
1 . 69705 1 . 6996
2 1 . 70088 1 . 70478 1 . 70996 1 . 72248
1 . 69698 1 . 69867 1 . 70187 1 . 70437 1 . 70485 1 . 71119
0 . 40467 1 . 80158 1 . 80152 1 . 71889 1 . 72949
根据折射率拟合公式
o 光 : n 2 e 光 : n 2 = a + b/ (λ2
-
= a + b/ (λ2
-
d 3 λ
2 c )
c ) ( 1)
( 2)
- - d 3 λ2 / ( e - λ2
)
拟合出折射率拟合参数 ,结果见表 2 。

T a b le 2 T he f i tted para m eters f o r in dex es of ref r actio n of Yb ∶YAB crystal
a
b
c
d
e
o light
3 . 17364
0 . 0012763
0 . 14902 0 . 090334
—
e
li ght 2 . 67159
0 . 17522 - 13 . 88610
0 . 16640 0 . 07527
由以上结果计算得
θm ( Ⅰ
) = 34°12′, θm ( Ⅱ
) = 46°382′, 其中θm ( Ⅰ
) = 34°12′与实验测的第一类位相匹 配角 θm ( Ⅰ
) = 34°38′符合的较好 。

4 光谱性质
采用 Hitachi340 分 光 光 度 计 测 量 了 Y b ∶
Y AB 晶体的室温吸收谱 ,结果如图 2 示 。

从吸
收谱中可以看出 Y b ∶Y AB 晶体存在两个吸收
峰 , 主 峰 在 975 n m , 半 峰 宽 为 25 n m , 能 与 In 2 G aA s L D 泵浦有效耦合 。

Fig. 2 The abso rp t io n sp ect r a of Yb ∶Y AB
cryst al at roo m t em p erat u re
利用 In G aAs 二极管激光器作为泵浦源 ,S pects1702/ 04 型分光光栅 、光电倍增管 、功率计等器 件组成如图 3 所示的光路 。

测定 Y b ∶Y AB 晶体的室温荧光光谱 ,测定的荧光光谱如图 4 示 。

Fig. 3 Exp eriment al co n figratio n fo r measuring flo uresecence sp ect r a
1 —Pulse generator ,
2 —In G aAs LD ,
3 —C ollimation system ,
4 —Len ,
5 —Y b ∶Y A B crysta l ,
6 —Spl itting gratting ,
7 —Photo 2elect ro multiplier ,8 —Power dynamo met er ,9 —Co mp ut er c o nt roller
从 Y b ∶Y AB 晶体的荧光光谱可以看出 , 1 . 03μm 和 1 . 04μm 处各存在一荧光峰 , 1 . 03μm
处为主荧光峰 。

为此我们利用荧光衰减法测定了 1 . 03
μm 处荧光的荧光寿命 ,测定的荧光衰 减典线如图 5 示 ,将荧光衰减曲线的下降端按指数形式拟合 ,拟合典线见图 6 。

由拟合曲线可以看出测量的结果较好 。

根据对数曲线的斜率可知 Y b ∶Y AB 晶体的荧光 寿命为 1 . 397 ms 。

这和文献
7 ,8
报道地 Y b ∶Y A G 晶体的荧光寿命相近 。

体的一类位相匹配角计算值为 θm (Ⅰ) = 34°12′, 实测的第一类位相匹配角 θm (Ⅰ
) = 34°38′。

Y b ∶ Y AB 晶体在 980nm 处存在一吸收带 ,主吸收峰 在 975nm 处 ,半峰宽为 25nm ,能与 In G aAs LD 激
光器的波长有效耦合 。

Y b ∶Y AB 晶体的 1. 03
μm 和 1. 04
μm 处各存在一荧光峰 ,主荧光峰1. 03μm 处的荧光寿命为 1. 397ms 。

Y AB 晶体的非线性 系数在四硼酸双盐中 是 最 大 的 , 约 为 3. 9 KDP 。

综合看来 , Y b ∶Y AB 晶体将是一种很有潜力的激 光自倍频晶体 。

Fig. 4 The flu o rescence s p ect r am of Yb ∶Y AB cryst al
at roo m t emp erat u re
Fig. 6 The fit t ed curve of flo uresence lif etime of
Yb ∶Y AB cryst al
Fig. 5 The flo uresence lif etime of Yb ∶Y AB cryst al
参 考 文 献
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