一种磷酸钆晶体及其生长方法和用途
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 驳回; |
| 专利有效性 | 无效专利 | 当前状态 | 驳回 |
| 申请号 | CN201710607217.2 | 申请日 | 2017-07-24 |
| 公开(公告)号 | CN109295497A | 公开(公告)日 | 2019-02-01 |
| 申请人 | 中国科学院福建物质结构研究所; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 陈雨金; 黄艺东; 林炎富; 黄建华; 龚兴红; 罗遵度; | 第一发明人 | 陈雨金 |
| 权利人 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：福建省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：福建省福州市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：福建省福州市杨桥西路155号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：350002 |
| 主IPC国际分类 | C30B29/14 | 所有IPC国际分类 | C30B29/14 ; C30B9/12 ; C09K11/81 ; H01S3/16 |
| 专利引用数量 | 7 | 专利被引用数量 | 2 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京知元同创知识产权代理事务所 | 专利代理人 | 刘元霞; |
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 磷酸 钆晶体和稀土离子激活的磷酸钆晶体及其生长方法和用途。其中，磷酸钆晶体的化学式为GdPO4，属于单斜晶系，空间群为P21/n。稀土离子激活的磷酸钆晶体中的稀土离子A选自Ce3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+中的一种或多种。采用本发明中的无铅成分的化合物体系的 助熔 剂及顶部籽晶助 溶剂 法进行生长，可以使磷酸钆晶体和稀土离子激活的磷酸钆晶体的尺寸均达到厘米级，并且有效避免晶体生长过程中铅挥发对人体产生的伤害。另外，利用该方法生长获得的大尺寸的稀土离子掺杂磷酸钆晶体，可以作为一种具有实际应用价值的激光和发光材料。 | ||
| 权利要求 | 1.一种磷酸钆晶体，其特征在于，其分子式为GdPO4，所述磷酸钆晶体尺寸为厘米级。 |
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| 说明书全文 | 一种磷酸钆晶体及其生长方法和用途技术领域背景技术[0002] 磷酸钆(GdPO4)晶体具有良好的物理化学性能，较高的热导率以及宽的透光波段，同时耐强酸强碱，不潮解，是一种优秀的光学晶体材料。该晶体中的部分Gd3+离子如果被某些稀土离子所取代，还可以作为一类较好的激光和发光材料。GdPO4晶体结构于1964年被R.S.Feigelson首次报道(J.Amer.Ceram.Soc.,47(1964)257)。 [0003] 然而，到目前为止关于该晶体的报道大都集中在微纳米尺寸晶体的生长和性质研究上，至今尚未生长获得大尺寸的单晶材料。对于光学晶体特别是激光晶体的应用而言，需要晶体生长为尺寸达厘米级且光学质量高的单晶材料。另外，至今也没有GdPO4晶体作为固体激光基质材料的研究报道。 发明内容[0004] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种厘米级以上尺寸和高光学质量的GdPO4晶体及其晶体的制备方法。GdPO4晶体是作为固体激光和发光基质材料。 [0005] 本发明的另一目的在于提供大尺寸稀土离子激活的GdPO4晶体，该稀土离子激活的GdPO4晶体作为固体激光和发光材料。 [0006] 本发明包括如下技术方案： [0007] 本发明提供一种磷酸钆晶体，其分子式为GdPO4，所述磷酸钆晶体尺寸为厘米级。 [0008] 根据本发明，所述磷酸钆晶体属于单斜晶系，空间群为P21/n。 [0009] 本发明还提供一种稀土离子激活的磷酸钆晶体，其特征在于，所述稀土离子A选自Ce3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+等稀土离子中的一种或多种，所述稀土离子激活的磷酸钆晶体尺寸为厘米级。 [0010] 根据本发明，所述稀土离子激活的磷酸钆晶体的结构式为AxGd1-xPO4，其中0≤x≤0.5。优选地，0.003≤x≤0.3，更优选地，0.05≤x≤0.1。 [0011] 根据本发明，所述磷酸钆晶体中的A选自Nd3+、Yb3+、Tb3+、Er3+等稀土离子中的一种或多种。 [0012] 根据本发明，所述磷酸钆晶体中的A选自Tb3+，即TbxGd1-xPO4，其中0.01≤x≤0.5，优选为0.02≤x≤0.1。 [0013] 根据本发明，所述磷酸钆晶体中的A选自Yb3+，即YbxGd1-xPO4，其中0.01≤x≤0.5，优选为0.02≤x≤0.2。 [0014] 根据本发明，所述磷酸钆晶体中的A选自Nd3+，即NdxGd1-xPO4，其中0.01≤x≤0.2，优选为0.02≤x≤0.1。 [0015] 根据本发明，所述磷酸钆晶体中的A选自Er3+和Yb3+，即ErX1YbX2Gd1-X1-X2PO4，其中0.002≤X1≤0.03，0.03≤X2≤0.3。优选，0.004≤X1≤0.015，0.05≤X2≤0.15。 [0016] 本发明还提供一种磷酸钆晶体GdPO4的生长方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： [0018] (2)将溶液温度提高到饱和温度点以上5-15℃，再将籽晶放入溶液中，进行降温生长，当晶体生长到所需尺寸后，即可获得GdPO4晶体。 [0019] 本发明还提供一种稀土离子激活的磷酸钆晶体的生长方法，其中稀土离子激活的磷酸钆晶体的结构式为AxGd1-xPO4，其中0≤x≤0.5，其特征在于，所述方法包括如下步骤： [0020] (1)将(i)Gd2O3、(ii)NH4H2PO4或P2O5和(iii)稀土氧化物A2O3中的一种或多种，其中，稀土离子A选自Ce3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+，混合后作为原料，添加助熔剂，并加热至1050-1200℃并恒温10-60小时，再降至溶液饱和温度点附近进行饱和温度点的测试； [0021] (2)将溶液温度提高到饱和温度点以上5-15℃，再将籽晶放入溶液中，进行降温生长，当晶体生长到所需尺寸后，即可获得稀土离子激活的磷酸钆晶体。 [0022] 根据本发明，步骤(1)中，称取(i)Gd2O3和(ii)NH4H2PO4或P2O5的摩尔比的量使之符合化学式GdPO4，或 [0023] 称取(i)Gd2O3、(ii)NH4H2PO4或P2O5和(iii)A2O3的摩尔比的量使之符合化学式AxGd1-xPO4。 [0024] 根据本发明，步骤(1)中，所述助熔剂为Re2CO3-RO3-NH4H2PO4或Re2CO3-RO3-H3BO3，其中Re为Li、Na或K，R为W或Mo。本发明中助溶剂的加入可以使得晶体生长尺寸达到厘米级。 [0025] 根据本发明，步骤(1)中，所述Re2CO3-RO3-NH4H2PO4中Re2CO3、RO3和NH4H2PO4的摩尔比为1:(1-3):(0-3)。 [0026] 根据本发明，步骤(1)中，所述Re2CO3-RO3-H3BO3化合物体系中Re2CO3、RO3和H3BO3的摩尔比为1:(1-3):(0-2)。 [0027] 根据本发明，所述原料与助熔剂的质量比为(5-40):100，优选为(10-30):100。 [0028] 根据本发明，步骤(1)中，将所述原料直接置于或压片后置于坩埚中进行加热。 [0029] 根据本发明，步骤(2)中，采用顶部籽晶助溶剂法进行生长，从而使得晶体生长尺寸达到厘米级。 [0030] 根据本发明，步骤(2)中，将放入籽晶的溶液先进行恒温后进行降温生长；所述恒温的时间为10-30小时，优选为15-25小时；所述降温速率为0.5-3℃/天，优选为1-2.5℃/天。 [0031] 根据本发明，步骤(2)中，在进行降温生长的同时以5-30转/分，优选为10-25转/分的转动速率转动籽晶。 [0032] 根据本发明，步骤(2)中，当晶体生长到所需尺寸后，再将晶体以5-40℃/小时，优选10-30℃/小时的降温速率降至室温，获得GdPO4晶体或稀土离子激活的磷酸钆晶体。 [0033] 本发明还提供一种所述磷酸钆晶体的用途，其特征在于，所述磷酸钆晶体作为激光和/或发光基质材料。 [0034] 本发明还提供一种所述稀土离子激活的磷酸钆晶体的用途，其特征在于，所述稀土离子激活的磷酸钆晶体作为固体激光和发光材料。 [0035] 本发明还提供一种固体激光器，所述激光器包括本发明的磷酸钆晶体。 [0036] 本发明还提供一种固体激光器，所述激光器包括本发明的稀土离子激活的磷酸钆晶体。 [0038] 根据本发明，所述稀土离子激活的磷酸钆晶体为激光材料。 [0039] 根据本发明，所述激光器中采用445或485nm波段的半导体激光器作为泵浦源，输出480～760nm可见波段的连续或脉冲固体激光。优选地，其中的磷酸钆晶体中的A选自Tb3+，即TbxGd1-xPO4，其中0.01≤x≤0.5，优选为0.01≤x≤0.1。 [0040] 根据本发明，所述激光器采用发射光能被所述NdxGd1-xPO4或YbxGd1-xPO4晶体有效吸收的半导体激光器作为泵浦源，输出1.0-1.1μm波段的连续或脉冲固体激光。优选采用的磷酸钆晶体中，所述稀土离子A选自Nd3+或Yb3+，即NdxGd1-xPO4或YbxGd1-xPO4，其中当A选自Nd3+时，0.01≤x≤0.2，优选为，0.02≤x≤0.1；当A选自Yb3+时，0.01≤x≤0.5，优选为，0.02≤x≤0.2。 [0041] 根据本发明，所述激光器采用976nm波段的半导体激光器作为泵浦源，输出1.5-1.6μm波段的连续或脉冲固体激光。优选采用的磷酸钆晶体中，所述稀土离子A选自Er3+和Yb3+，即ErX1YbX2Gd1-X1-X2PO4，其中0.002≤X1≤0.03，0.03≤X2≤0.3，优选，0.004≤X1≤ 0.015，0.05≤X2≤0.15。 [0042] 本发明的技术效果 [0043] 利用本发明提出的助熔剂法生长工艺，可以生长获得厘米级以上尺寸和高光学质量的磷酸钆晶体，所用的助熔剂为无铅成分的化合物体系，可以有效避免晶体生长过程中铅挥发对人体产生的伤害。另外，利用该方法生长获得的大尺寸的稀土离子掺杂磷酸钆晶体，可以作为一种具有实际应用价值的激光和发光材料。 具体实施方式[0044] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。 [0045] 实施例1：以Li2CO3-MoO3-NH4H2PO4化合物体系为助熔剂生长GdPO4晶体 [0046] 分别称取50.3g Gd2O3、35g NH4H2PO4、93g Li2CO3和362.4g MoO3一起置于玛瑙研钵中研磨并混合均匀。把混合均匀的原料压片后放入铂坩埚内，并放置于晶体生长炉中，将生长炉升温至1150℃恒温40小时后降至980℃。用不断下籽晶的方法确定溶液的饱和温度点，然后将溶液升温至饱和温度点以上10℃后，将事先固定在籽晶杆上的籽晶缓慢地下降至液面以下，恒温半小时后降至饱和温度点。在饱和温度点的温度下恒温24小时后，以1℃/天的速率降温，并以15转/分的速率转动晶体。当降温量达80℃时，停止转动晶体并提离液面，结束生长。再以20℃/小时的速率降温至室温，获得尺寸大于15×15×15mm3的优质透明GdPO4晶体。 [0047] 实施例2：以K2CO3-WO3-H3BO3化合物体系为助熔剂生长GdPO4晶体 [0048] 分别称取36g Gd2O3、22.8g NH4H2PO4、111.48g K2CO3、374g WO3和5g H3BO3一起置于玛瑙研钵中研磨并混合均匀。把混合均匀的原料压片后放入铂坩埚内，并放置于晶体生长炉中，将生长炉升温至1100℃恒温30小时后降至970℃。用不断下籽晶的方法确定溶液的饱和温度点，然后将溶液升温至饱和温度点以上8℃后，将事先固定在籽晶杆上的籽晶缓慢地下降至液面以下，恒温半小时后降至饱和温度点。在饱和温度点的温度下恒温24小时后，以1.5℃/天的速率降温，并以20转/分的速率转动晶体。当降温量达80℃时，停止转动晶体3 并提离液面，结束生长。再以30℃/小时的速率降温至室温，获得尺寸大于20×20×15mm的优质透明GdPO4晶体。 [0049] 实施例3：以Li2CO3-WO3-H3BO3化合物体系为助熔剂生长Nd0.05Gd0.95PO4晶体[0050] 分别称取1.7g Nd2O3、34.4g Gd2O3、22.8g NH4H2PO4、67.4g Li2CO3、422.7g WO3和5g H3BO3一起置于玛瑙研钵中研磨并混合均匀。把混合均匀的原料压片后放入铂坩埚内，并放置于晶体生长炉中，将生长炉升温至1080℃恒温36小时后降至970℃。用不断下籽晶的方法确定溶液的饱和温度点，然后将溶液升温至饱和温度点以上5℃后，将事先固定在籽晶杆上的籽晶缓慢地下降至液面以下，恒温半小时后降至饱和温度点。在饱和温度点的温度下恒温24小时后，以0.5℃/天的速率降温，并以20转/分的速率转动晶体。当降温量达80℃时，停止转动晶体并提离液面，结束生长。再以30℃/小时的速率降温至室温，获得尺寸大于20×20×20mm3的优质透明Nd0.05Gd0.95PO4晶体。 [0051] 实施例4：以Li2CO3-MoO3化合物体系为助熔剂生长Yb0.lGd0.9PO4晶体 [0052] 分别称取3.9g Yb2O3、32.6g Gd2O3、22.8g NH4H2PO4、104.6g Li2CO3和407.7g MoO3一起置于玛瑙研钵中研磨并混合均匀。把混合均匀的原料压片后放入铂坩埚内，并放置于晶体生长炉中，将生长炉升温至1150℃恒温60小时后降至980℃。用不断下籽晶的方法确定溶液的饱和温度点，然后将溶液升温至饱和温度点以上10℃后，将事先固定在籽晶杆上的籽晶缓慢地下降至液面以下，恒温半小时后降至饱和温度点。在饱和温度点的温度下恒温24小时后，以1℃/天的速率降温，并以10转/分的速率转动晶体。当降温量达80℃时，停止转动晶体并提离液面，结束生长。再以25℃/小时的速率降温至室温，获得尺寸大于20×15× 15mm3的优质透明Yb0.1Gd0.9PO4晶体。 [0053] 实施例5：以Li2CO3-MoO3化合物体系为助熔剂生长Er0.005Yb0.055Gd0.94PO4晶体[0054] 分别称取2.17g Yb2O3、0.2g Er2O3、34g Gd2O3、22.8g NH4H2PO4、104.6g Li2CO3和407.7g MoO3一起置于玛瑙研钵中研磨并混合均匀。把混合均匀的原料压片后放入铂坩埚内，并放置于晶体生长炉中，将生长炉升温至1150℃恒温50小时后降至980℃。用不断下籽晶的方法确定溶液的饱和温度点，然后将溶液升温至饱和温度点以上10℃后，将事先固定在籽晶杆上的籽晶缓慢地下降至液面以下，恒温半小时后降至饱和温度点。在饱和温度点的温度下恒温24小时后，以0.5℃/天的速率降温，并以15转/分的速率转动晶体。当降温量达80℃时，停止转动晶体并提离液面，结束生长。再以20℃/小时的速率降温至室温，获得尺寸大于20×20×15mm3的优质透明Er0.005Yb0.055Gd0.94PO4晶体。 [0055] 实施例6：以Li2CO3-WO3-NH4H2PO4化合物体系为助熔剂生长Tb0.1Gd0.9PO4晶体并将该晶体用作发光材料 [0056] 分别称取3.66g Tb2O3、32.63g Gd2O3、25g NH4H2PO4、45.8g Li2CO3和431.5g WO3一起置于玛瑙研钵中研磨并混合均匀。把混合均匀的原料压片后放入铂坩埚内，并放置于晶体生长炉中，将生长炉升温至1100℃恒温50小时后降至970℃。用不断下籽晶的方法确定溶液的饱和温度点，然后将溶液升温至饱和温度点以上10℃后，将事先固定在籽晶杆上的籽晶缓慢地下降至液面以下，恒温半小时后降至饱和温度点。在饱和温度点的温度下恒温24小时后，以1℃/天的速率降温，并以35转/分的速率转动晶体。当降温量达80℃时，停止转动晶体并提离液面，结束生长。再以30℃/小时的速率降温至室温，获得尺寸大于20×20×20mm3的优质透明Tb0.1Gd0.9PO4晶体。 [0057] 从毛胚晶体上切割出5×5×5mm3的块状样品，各个端面抛光处理后，将上述制备的Tb0.1Gd0.9PO4晶体作为发光物质，采用380nm波段的紫外光激发该晶体样品，可以同时发出485nm波段的蓝光、540nm波段的绿光、580nm波段的黄光以及620nm波段的红光。 [0058] 实施例7：808nm半导体激光端面泵浦Nd0.05Gd0.95PO4晶体实现1.06μm固体激光输出。 [0059] 从实施例3生长获得的Nd0.05Gd0.95PO4毛胚晶体上切割出厚度为3mm(端面积一般为平方毫米到平方厘米)的块状样品，将该块状晶体样品端面抛光后固定在中间有通光孔的铜座上并置于激光腔中。激光腔输入镜为平面镜，在808nm波长处透过率T＝90％，在1.06μm波长处透过率T＝0.1％；激光腔输出镜为平凹镜，镜片曲率半径为100mm，在1.06μm波长处透过率T＝5％；腔长约为100mm。利用808nm半导体激光端面泵浦该晶体样品即可得到的1.06μm连续固体激光输出。在上述激光腔中放入被动调Q片(如Cr4+:YAG晶体)或1.06μm波段的声光调Q模块，即可实现1.06μm调Q脉冲激光运转。 [0060] 实施例8：976nm半导体激光端面泵浦Yb0.lGd0.9PO4晶体实现1.04μm固体激光输出。 [0061] 从实施例4生长获得的Yb0.lGd0.9PO4毛胚晶体上切割出厚度为1.5mm(端面积一般为平方毫米到平方厘米)的块状样品，将该块状晶体样品端面抛光后固定在中间有通光孔的铜座上并置于激光腔中。激光腔输入镜为平面镜，在976nm波长处透过率T＝90％，在1.04μm波长处透过率T＝0.1％，激光腔输出镜为平凹镜，镜片曲率半径为100mm，在1.04μm波长处透过率T＝3％；腔长约为100mm。利用976nm半导体激光端面泵浦该晶体样品即可得到的1.04μm连续固体激光输出。在上述激光腔中放入被动调Q片(如Cr4+:YAG晶体)或1.04μm波段的声光调Q模块，即可实现1.04μm调Q脉冲激光运转。 [0062] 实施例9：976nm半导体激光端面泵浦Er0.005Yb0.055Gd0.94PO4晶体实现1.54μm固体激光输出。 [0063] 从实施例5生长获得的Er0.005Yb0.055Gd0.94PO4毛胚晶体上切割出厚度为2mm(端面积一般为平方毫米到平方厘米)的块状样品，将该块状晶体样品端面抛光后固定在中间有通光孔的铜座上并置于激光腔中。激光腔输入镜为平面镜，在976nm波长处透过率T＝90％，在1.54μm波长处透过率T＝0.1％，激光腔输出镜为平凹镜，镜片曲率半径为100mm，在1.54μm波长处透过率T＝2％；腔长约为100mm。利用976nm半导体激光端面泵浦该晶体样品即可得到的1.54μm连续固体激光输出。在上述激光腔中放入被动调Q片(如Co2+:MgAl2O4，Co2+: ZnSe，Cr2+:ZnSe等)或1.54μm波段的声光调Q模块，即可实现1.54μm调Q脉冲激光运转。 [0064] 实施例10：485nm半导体激光端面泵浦Tb0.1Gd0.9PO4晶体实现585nm固体激光输出。 [0065] 从实施例6生长获得的Tb0.1Gd0.9PO4毛胚晶体上切割出厚度为10mm(端面积一般为平方毫米到平方厘米)的块状样品，将该块状晶体样品端面抛光后固定在中间有通光孔的铜座上并置于激光腔中。激光腔输入镜为平面镜，在485nm波长处透过率T＝90％，在585nm波长处透过率T＝0.1％，激光腔输出镜为平凹镜，镜片曲率半径为100mm，在585nm波长处透过率T＝2％，在540nm波长处透过率T>10％；腔长约为100mm。利用485nm半导体激光端面泵浦该晶体样品即可得到585nm连续固体激光输出。 [0066] 以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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