[发明专利]激光和非线性光学磷酸铋晶体及其制备和用途

说明书

技术领域

本发明涉及光电子晶体领域，尤其是涉及可应用于固体激光和激光变频的磷酸铋晶体生长制备及其应用。

背景技术

随着激光技术的发展，具有激光和变频双重功能的晶体材料，由于有着技术上的重要意义已经越来越引起人们的注意。

固体激光具有单色性和相干性强、光束质量高、运行稳定可靠等优点，在许多领域起着不可替代的作用。目前，研究较多的磷酸盐激光基质晶体主要有Ca₅(PO₄)₃F、LaP₅O₁₄、KPrP₄O₁₂等。这类晶体的物化性能稳定，制备成本低廉，因而受到广泛的关注。

利用无对称中心晶体的非线性光学特性，可以实现激光的变频，从而获得满足不同应用目的的可见、紫外等波段的激光。目前，常用的非线性光学晶体有KDP、KTP、BBO、LBO等，其中KDP和KTP为磷酸盐晶体，BBO和LBO为硼酸盐晶体。

若某种晶体既可作为激光基质晶体，又具有非线性光学效应；则可以对自身的基波激光进行变频，在单一晶体中实现变频激光输出。这种具有激光和非线性光学双重功能的晶体又称非线性激光晶体或自变频晶体，对发展紧凑型、一体化固体激光器件具有重要意义。

BiPO₄晶体属于单斜晶系，空间群为P2₁，晶体的单胞参数为a＝4.88，b＝7.06，c＝4.71，β＝96.3°。前苏联科学家报道了该晶体的固相合成和单晶结构。我们通过对该晶体的研究发现，该晶体具有二阶非线性光学性能，并可被稀土离子激活而成为激光晶体，显示出具有激光和非线性光学双重功能。

发明内容

本发明的晶体的分子式为Bi_(1-x)R_xPO₄，属于单斜晶系，空间群为P2₁，属非线性光学晶体。其中R³⁺可采用Ti³⁺、Cr³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺等离子，作为激光晶体的激活离子或非线性光学晶体的改性离子，部分或全部替代晶体基质中的Bi³⁺离子位置。一般情况下，激活离子的浓度即x值可以根据掺杂离子种类、激光运转需要或非线性光学效果在0到1之间变化。

本发明的晶体可采用高温熔盐法或熔盐提拉法生长，其技术关键在于选取碱金属氧化物与MoO₃化合物作为助熔剂，在适当的温度和温场等条件下，获得满足激光和非线性光学应用需要的高光学质量单晶。

本发明的Bi_(1-x)R_xPO₄晶体在空气中不潮解，具有良好的光学、机械和热导性能，较高的化学稳定性，而且便于生长。其Bi³⁺离子的晶格位能接受较高浓度的过渡族或稀土离子掺杂。该类晶体除了镧系或过渡金属离子带来的特征谱线外，在250nm至3000nm波段透明。该类晶体既能作为非线性光学功能晶体，而且通过适量掺杂过渡族或稀土离子，还能够作为固体激光器的工作介质，被闪光灯、半导体激光或其他光源泵浦而输出固体激光。

具体实施方式

实例1：制备BiPO₄晶体