一种掺稀土离子的钪酸镧激光单晶光纤及其制备方法

本发明属于激光材料及其制备，具体涉及可见和近红外波段激光单晶光纤及其制备方法，特别涉及一种掺稀土离子的钪酸镧激光单晶光纤及其制备方法。

背景技术：

1、激光晶体材料具有热学性能优异、光学质量好、阈值低等特点是当下最为广泛的激光增益材料之一，在高功率泵浦源、激光雷达、医疗以及科学研究等领域有重要的应用前景。

2、在科研和工业中可见和近红外波段的光通常用固体激光器和其他光源产。可见光波段大致范围在380到780纳米之间，这个范围内的电磁波能够被人眼所感知，形成不同的颜色。可见光在日常生活中非常重要，是许多视觉过程和光学技术的基础。近红外光波段通常指的是波长在780纳米到大约2.5微米之间的电磁波，这个波段的光对人眼是不可见的，但在许多科学和技术应用中非常重要。近红外光可以穿透一些材料，如皮肤、云层和某些类型的塑料，因此在遥感、医疗成像、通信和许多其他领域都有应用。

3、按照基质材料划分，激光领域应用较为广泛的主流激光晶体材料可分为氟化物基质材料、倍半氧化物基质材料和石榴石类基质材料。其中，倍半氧化物的热导率高、最大声子能量小，具有稳定的物化性能，近些年备受瞩目。高的热导率有利于晶体热量的疏散，使晶体在激光器运转过程的热效应减少；低的声子能量能够降低非辐射跃迁和多声子弛豫概率，有效提高荧光发射效率。同时倍半氧化物的硬度适中，物化性能稳定，机械性能好，方便晶体的加工和储存。但是立方稀土倍半氧化物的熔点很高，比主流的激光介质yag的熔点高出约500℃，因此倍半氧化物晶体的制备非常困难，尤其是大尺寸高质量倍半氧化物晶体，生长过程中难以保持稳定的热梯度，容易开裂。

4、因此选取稀土离子掺杂钪酸镧单晶光纤，可在在1～3μm近、中红外波段获得高效率，高功率的激光输出。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种掺稀土离子的钪酸镧激光单晶光纤及其制备方法，该方法工艺简单，可有效降低生产成本，能够生长出高质量的re2xla1-2xsco3单晶光纤；所制备得到的re2xla1-2xsco3单晶光纤可兼具玻璃光纤与晶体的优势，有利于获得不同波段脉冲激光。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种掺稀土离子的钪酸镧激光单晶光纤，所述单晶光纤的化学式为re2xla1-2xsco3，其中re为yb3+、nd3+、3+、tm3+、ho3+稀土离子中的一种，x为稀土离子取代la3+格位的摩尔百分数；当re为yb3+时，0.005≤x≤0.05；当re为nd3+时，0.005≤x≤0.02；当re为er3+时，0.01≤x≤0.07；当re为tm3+时，0.005≤x≤0.05；当re为ho3+时，0.005≤x≤0.015。

4、优选的，所述单晶光纤属于正交晶系，单晶光纤直径为0.4～1mm，长度为20～150mm。

5、本发明还提供了一种上述掺稀土离子的钪酸镧激光单晶光纤的制备方法，采用激光加热基座法，具体包括以下步骤：

6、(1)以纯度均为99.99％的yb2o3粉末/nd2o3粉末/er2o3粉末/tm2o3粉末/ho2o3粉末la2o3粉末、sc2o3粉末为原料，按分子式re2xla1-2xsco3中对应元素的化学计量比称取各原料；式中，x为稀土离子取代la3+格位的摩尔百分数，当re为yb3+时，0.005≤x≤0.05；当re为nd3+时，0.005≤x≤0.02；当re为er3+时，0.01≤x≤0.07；当re为tm3+时，0.005≤x≤0.05；当re为ho3+时，0.005≤x≤0.015。

7、(2)将称取的各原料混合均匀，通过冷等静压机在200～300mpa下压制180～300s成圆柱棒，将圆柱棒在马弗炉中空气气氛下进行烧结成相后得到陶瓷棒，烧结温度为1600～1650℃，烧结时间为15～24h，通过线切割加工机切至1-2mm直径的陶瓷棒，室温下干燥4～8h后得到料棒，分别作为籽晶和源棒；

8、(3)清洁晶体生长的激光基底加热炉炉腔以及光学系统中的反射锥面镜、环形平面反射镜和聚焦镜，调节光路均匀；将制备好的源棒固定于下方馈送装置籽晶杆上，将制备好的籽晶固定于上方提拉装置上；

9、(4)打开co2激光器，调整源棒的中心置于激光的焦点中心，源棒顶部熔融成半球状熔体，调节籽晶位置使籽晶与熔体接触且位于半球状熔体中心，然后将籽晶缓慢接触半球状熔体，保持状态至少2min使熔区达到稳定后，通过提拉装置开始提拉籽晶和开启馈送装置上升源棒，依次经过放肩、等径生长后，当生长出的晶体达到所需长度时，关闭馈送装置，将晶体提脱；

10、(5)将所获得的晶体重新作为源棒固定于馈送装置上，根据以上步骤(3)和步骤(4)进行二次生长，获得更长更细的单晶光纤；

11、(6)单晶光纤拉脱后，以0.02-0.05w/s的速率降低激光器功率，关闭co2激光器后，通流动空气，5-15min后打开晶体生长的炉腔，取下晶体，得到re2xla1-2xsco3单晶光纤。

12、优选的，步骤(2)中，源棒的横截面为(1～2)×(1～2)mm2、长度为50～120mm。

13、优选的，步骤(4)和(5)中，制备好的单晶光纤横截面为(0.3～1)×(0.3～1)mm2、长度为20～120mm。

14、优选的，步骤(4)中，激光加热源棒中心的功率为25～50w，加热时间为2～5min。

15、优选的，步骤(5)中，激光加热源棒中心的功率为10～25w，加热时间为1～3min。

16、优选的，步骤(4)中，所述等径生长的参数包括：提拉速度为10～20mm/h；馈送速度为10～20mm/h；保持激光中心的功率为25～50w；生长时间为2～6h。

17、优选的，步骤(5)中，所述等径生长的参数包括：提拉速度为30～60mm/h；馈送速度为10～20mm/h；保持激光中心的功率为10～25w；生长时间为2～6h。

18、进一步的，步骤(6)中，将晶体取出后再放入马弗炉中在氢气气氛下于1450-1500℃下高温退火24h。

19、本发明中化学成分为re2xla1-2xsco3的单晶光纤，是一种典型的钙钛矿型晶体，空间群为pnma(no.62)。在lasco3晶体中，每个la离子被6个氧离子和3个sc离子配位，形成八面体的配位结构，而每个sc离子则被6个氧离子和3个la离子配位，同样也形成八面体的配位构型。这中配位构型有助于稳定晶体结构和提高材料的稳定性。它们化学性质稳定，具有光学禁带、高热导率和优异的机械性能。由于la3+和sc3+阳离子位点的随机分布而形成无序结构。由于不均匀光谱展宽效应，它们的无序晶体结构产生了更宽更平滑的光谱。这种增宽有助于产生超短脉冲。理想情况下，无序晶体应具有良好的热学、热光学和热机械特性，以支持功率扩展和产生高峰值功率脉冲输出。因此，这种材料在超快激光器方面大有可为。

20、与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：

21、(1)本发明所制备的re2xla1-2xsco3单晶光纤，具有玻璃光纤高比表面积、光波导的特性又具有块状晶体材料优异的热导率、高硬度、光学性能优良、耐腐蚀等理化性能，综合了单晶优异的物化性能与光纤独特的尺寸优势；

22、(2)本发明采用激光加热基座法制备re2xla1-2xsco3单晶光纤，该方法生长速度快、生长周期短、不需要用到坩埚容器、很大程度节约成本，避免了坩埚材质对单晶光纤的影响，同时生长晶体也不再受限于坩埚材质的熔点，可以轻松生长超过2000℃的高温晶体，很适合生长re2xla1-2xsco3这类高温氧化物型的晶体；

23、(3)本发明由于钪酸镧晶体是氧化物晶体，具有比氟化物晶体及其他陶瓷或者光纤更优的物化性能，晶体光纤具有的高热导率、高激光损伤阈值、较小的非线性效应等优点，使得单晶光纤有望产生更高功率的输出及传输更高能量的激光；

24、(4)本发明通过第二次生长技术，减少光纤内部离子分凝、应力和气泡缺陷，生长出更长更细尺寸的单晶光纤。目前还很少有报道过生长re2xla1-2xsco3晶体生长方法，首次通过lhpg技术生长高质量re2xla1-2xsco3单晶光纤。