[发明专利]掺Bi卤化物激光晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺Bi卤化物激光晶体及其制备方法，属于激光晶体领域。

背景技术

脉冲宽度为飞秒量级的激光以其具有的超短脉冲、高峰值功率和宽光谱等特性，在超 快光谱学、微电子加工、光钟、计量、全息、高容量光通讯等众多领域有着光谱的应用。 20世纪90年代发展起来的基于钛宝石晶体的飞秒激光器是目前可以获得最短脉冲、使用最 多的超快激光装置，主要被实验室研究和应用。由于钛宝石的532nm泵浦源体积大、电效 率低、价格昂贵，限制了其作为商用飞秒激光器向小型化、低成本的方向发展。所以，小 型激光二极管(LD)直接泵浦的飞秒激光器成为开发新一代紧凑型、高效率、低成本商用 飞秒激光器的热点。

除过渡金属离子和稀土离子之外，主族金属离子(如Bi、Pb、Tl、Te等)可以归为第 三类激活离子。与过渡金属离子类似，主族金属离子的价电子无外层电子的屏蔽作用，与 晶场相互作用强，因此电子跃迁形成的吸收、发射光谱非常宽。最近日本学者Fujimoto首 次发现了掺Bi离子玻璃在近红外波段1000-1600nm具有宽带发光(FWHM＞200nm)和 光放大。随后，我国的邱建荣教授研究小组也开展了相关的研究工作，并初步推断红外发 光机理是低价态的Bi离子。2005年，俄罗斯科学家首次在掺Bi光纤中实现了激光输出， 激光波长1150-1300nm。显而易见，Bi离子掺入具有有序结构的晶体中将比无序结构的玻 璃的发光量子效率高得多，激光振荡的阈值功率也要低得多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺Bi卤化物激光晶体及其制备方法。

本发明筛选具有合适组分、易于生长单晶的化合物作为Bi离子的掺杂基质，获得具有红 外1.0～1.7μm波段宽带发光特性的掺Bi卤化物激光晶体，可应用于产生波长调谐范围宽和锁 模超短脉冲激光输出。

根据已有的文献报道，在一定的还原气氛下制备掺Bi玻璃有利于提高红外发光强度，且 氧化铋原料(Bi₂O₅或Bi₂O₃)高温下会分解成低价态的Bi离子。因此，红外发光机理可推断 为低价态的Bi离子：Bi²⁺或Bi⁺。再结合如下的依据：(1)掺Bi玻璃红外荧光寿命一般为ms 量级；(2)Bi²⁺离子及与其等电子的Ti原子、Pb⁺离子的第一激发态荧光寿命均为μs量级；(3) 而与Bi⁺离子等电子的Pb原子第一激发态荧光寿命为ms量级。因此，我们推断Bi离子红外发 光中心为Bi⁺离子。

本发明基于如下几点筛选基质晶体：(1)Bi⁺离子半径大(约145pm)，则化合物的中心 阳离子应为离子半径与之相当的低价态离子(+2、+1)；(2)化合物的组分中不含有价态高 于+2价的中心阳离子；(3)化合物容易生长成单晶体；(4)单晶体具有较好的热、机械综合 性能，适宜用作激光基质。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种掺Bi卤化物激光晶体，其特征在于所述的卤化物晶体为碱金属或碱土 金属卤化物晶体，该掺Bi晶体中Bi离子掺杂浓度Bi％的取值范围为：0.01at％≤Bi％≤5.0at％， 较佳的，为0.05at％≤Bi％≤5.0at％，优选的，为0.05at％≤Bi％≤2.0at％，更进一步的，为0.1at％ ≤Bi％≤2.0at％，最佳的，为0.1at％≤Bi％≤0.5at％。

本发明采用碱金属、碱土金属卤化物晶体作为Bi离子的掺杂基质，其中，碱金属主要采 用K⁺、Rb⁺、Cs⁺，碱土金属主要采用Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺，阴离子卤元素主要采用F^-、Cl^-、I^-。 具体而言，所涉及到的晶体有如下几种：CaF₂、SrF₂、BaF₂、KCl、CsI、KPb₂Cl₅、RbPb₂Cl₅， 优选为CsI晶体。