Please wait a minute...

Frontiers of Optoelectronics

Front. Optoelectron.    2017, Vol. 10 Issue (2) : 111-116     DOI: 10.1007/s12200-017-0715-7
Basic properties of a new Nd-doped laser crystal: Nd:GdNbO4
Shoujun DING1,2, Qingli ZHANG1(), Wenpeng LIU1, Jianqiao LUO1, Dunlu SUN1
1. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
Download: PDF(272 KB)   HTML
Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks

A Nd-doped GdNbO4 single crystals have been grown successfully using the Czochralski technique. The chemical etching method was employed to study the defects in the structural morphology of Nd:GdNbO4 crystal with phosphoric acid etchant. Mechanical properties (such as hardness, yield strength, fracture toughness, and brittle index) of the as-grown crystal were systematically estimated on the basis of the Vickers hardness test for the first time. The transmission spectrum of Nd:GdNbO4 was measured in the wavelength range of 320–2400 nm at room temperature, and the absorption peaks were assigned. Results hold great significance for further research on Nd:GdNbO4.

Keywords Nd:GdNbO4      laser crystal      mechanical properties      chemical etching     
Corresponding Authors: Qingli ZHANG   
Just Accepted Date: 27 May 2017   Online First Date: 22 June 2017    Issue Date: 05 July 2017
 Cite this article:   
Shoujun DING,Qingli ZHANG,Wenpeng LIU, et al. Basic properties of a new Nd-doped laser crystal: Nd:GdNbO4[J]. Front. Optoelectron., 2017, 10(2): 111-116.
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
Shoujun DING
Qingli ZHANG
Wenpeng LIU
Jianqiao LUO
Dunlu SUN
Fig.1  As-grown Nd:GdNbO4 crystal boule
Fig.2  Dislocation etch pit patterns of the Nd:GdNbO4 crystal on three different crystallographic faces. (a) (100); (b) (010); and (c) (001)
Fig.3  Atomic arrangement diagrams viewed along the three different crystalline orientations for the Nd:GdNbO4 crystal. (a) (100); (b) (010); and (c) (001)
Fig.4  Vickers indentation mark on the Nd:GdNbO4 crystal along three different crystallographic faces. (a) (100); (b) (010); and (c) (001)
Fig.5  Dependence of Vickers hardness Hv on the indentation load P on (100), (010), and (001) crystallographic faces of Nd:GYNO crystal
Fig.6  Variation of logP with logd on (100), (010), and (001) crystallographic faces of Nd:GYNO crystal
mechanical parametersvalues (P = 100 g)
(100) face(010) face(001) face
hardness number Hv/(kg·mm−2)906775636
Meyer’s index n2.0172.0372.030
fracture toughness Kc/(kg·mm−3/2)8.367.406.44
yield strength sv/GPa3.022.582.12
brittleness index Bi/mm−1/2108.5107.798.7
Tab.1  Mechanical parameters of Nd:GdNbO4 crystal
Fig.7  Transmission spectra of Nd:GdNbO4 at room temperature
1 Sanghera J, Kim W, Villalobos G, Shaw B, Baker C, Frantz J, Sadowski B, Aggarwal I. Ceramic laser materials. Materials (Basel), 2012, 5(12): 258–277
doi: 10.3390/ma5020258
2 Zhang H J, Meng X L, Zhu L, Wang C Q, Wang P, Zhang H Z, Chow Y T, Dawes J. Growth and laser properties of laser crystal Nd:Gd0.8La0.2VO4. Journal of Crystal Growth, 1998, 193(3): 370–373
doi: 10.1016/S0022-0248(98)00495-3
3 Lee M C, Chang C S, Huang Y L, Chang S L, Chang C H, Lin Y F, Hu S. Treatment of melasma with mixed parameters of 1064-nm Q-switched Nd:YAG laser toning and an enhanced effect of ultrasonic application of vitamin C: a split-face study. Lasers in Medical Science, 2015, 30(1): 159–163
doi: 10.1007/s10103-014-1608-2 pmid: 25073866
4 Kane T J, Kozlovsky W J, ByerR L,  Byvik C E. Coherent laser radar at 1.06 μm using Nd:YAG lasers. Optics Letters, 1987, 12(4): 239–241
doi: 10.1364/OL.12.000239 pmid: 19738851
5 Rodin A M, Grishin M, Michailovas A. Picosecond laser with 11 W output power at 1342 nm based on composite multiple doping level Nd:YVO4 crystal. Optics & Laser Technology, 2016, 76: 46–52
doi: 10.1016/j.optlastec.2015.07.022
6 Yu H H, Liu J H, Zhang H J, Kaminskii A A, Wang Z P, Wang J Y. Advances in vanadate laser crystals at a lasing wavelength of 1 micrometer. Laser & Photonics Reviews, 2014, 8(6): 847–864
doi: 10.1002/lpor.201400022
7 Nazarov M, Kim Y J, Lee E Y, Min K, Jeong M S, Lee S W, Noh D Y. Luminescence and Raman studies of YNbO4 phosphors doped by Eu3+, Ga3+, and Al3+. Journal of Applied Physics, 2010, 107(10): 103104
doi: 10.1063/1.3392918
8 Wang Y Z, Zhang L L, Cao R P, Miao Q, Qiu J Q. Structure and properties of CaNb2O6:Sm3+ thin films by pulsed laser deposition. Applied Physics A, 2014, 115(4): 1365–1370
9 Ding S J, Peng F, Zhang Q L, Luo J Q, Liu W P, Sun D L, Dou R Q, Sun G H. Structure, spectroscopic properties and laser performance of Nd:YNbO4 at 1066 nm. Optical Materials, 2016, 62: 7–11
doi: 10.1016/j.optmat.2016.09.032
10 Fang X, Roushan M, Zhang R, Peng J, Zeng H, Li J. Tuning and enhancing white light emission of II–VI based inorganic–organic hybrid semiconductors as single-phased phosphors. Chemistry of Materials, 2012, 24(10): 1710–1717
doi: 10.1021/cm203137r
11 Jüstel T, Nikol H, Ronda C. New developments in the field of luminescent materials for lighting and displays. Angewandte Chemie International Edition, 1998, 37(22): 3084–3103
doi: 10.1002/(SICI)1521-3773(19981204)37:22<3084::AID-ANIE3084>3.0.CO;2-W
12 Huang C, Liu W, Chen T. Single-phased white-light phosphors Ca9Gd(PO4)7:Eu 2+, Mn 2+ under near-ultraviolet excitation. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(43): 18698–18701
doi: 10.1021/jp106693z
13 Dou R Q, Zhang Q L, Luo J Q, Chen J K, Yang H J, Liu W P, Sun G H, Sun D L. Growth, structure, and spectroscopic properties of 5 at.% Yb:GdNbO4 laser crystal. Optical Materials, 2015, 42: 56–61
doi: 10.1016/j.optmat.2014.12.018
14 Ding S J, Peng F, Zhang Q L, Luo J Q, Liu W P, Sun D L, Dou R Q, Gao J Y, Sun G H, Cheng M J. Crystal growth, spectral properties, and continuous wave laser operation of Nd:GdNbO4. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 693: 339–343
doi: 10.1016/j.jallcom.2016.09.256
15 Zhong D G, Teng B, Cao L F, Fei Y, Zhang S M, Li Y Y, Wang C, He L X, Huang W X. Characterization of dislocations and sub-grain boundaries in mixed rare earth orthovanadate of Yb:YxLu1-xVO4. Optical Materials, 2014, 36(12): 2034–2038
doi:  10.1016/j.optmat.2013.12.033
16 Dou R Q, Zhang Q L, Liu W P, Luo J Q, Wang X F, Ding S J, Sun D L. Growth, structure, chemical etching, and spectroscopic properties of a 2.9 mm Tm,Ho:GdYTaO4 laser crystal. Optical Materials, 2015, 48: 80–85
doi: 10.1016/j.optmat.2015.07.021
17 Ding S J, Liu W P, Zhang Q L, Peng F, Luo J Q, Dou R Q, Sun G H, Sun D L. Crystal growth, defects, and mechanical and spectral properties of a novel mixed laser crystal Nd:GdYNbO4. Applied Physics A,  2017, 123: 70
18 Thirumurugan R, Babu B, Anitha K, Chandrasekaran J. Structural, optical, thermal, mechanical, dielectric and laser damage threshold studies of a succinate salt of creatinine for nonlinear optical applications. Materials Letters, 2016, 185: 214–217
doi: 10.1016/j.matlet.2016.08.127
19 Mythili P, Kanagasekaran T, Sharma S N, Gopalakrishnan R. Growth and characterization of sodium sulfanilate dihydrate (SSDH) crystals for NLO applications. Journal of Crystal Growth, 2007, 306(2): 344–350
doi: 10.1016/j.jcrysgro.2007.05.025
20 Hanumantha Rao R, Kalainathan S. Microhardness, chemical etching, SEM, AFM and SHG studies of novel nonlinear optical crystal–l-threonine formate. Materials Research Bulletin, 2012, 47(4): 987–992
doi: 10.1016/j.materresbull.2012.01.013
21 Singh P, Hasmuddin M, Shakir M, Vijayan N, Abdullah M M, Ganesh V, Wahab M A. Investigation on structural, optical, thermal, mechanical and dielectric properties of l-proline cadmium chloride monohydrate single crystals: an efficient NLO material. Materials Chemistry and Physics, 2013, 142(1): 154–164
doi: 10.1016/j.matchemphys.2013.06.051
22 Gupta V, Bamzai K K, Kotru P N, Wanklyn B M. Mechanical characteristics of flux-grown calcium titanate and nickel titanate crystals. Materials Chemistry and Physics, 2005, 89(1): 64–71
doi: 10.1016/j.matchemphys.2004.08.027
23 Jain A, Razdan A K, Kotru P N, Wanklyn B M. Load and directional effects on microhardness and estimation of toughness and brittleness for flux-grown LaBO3 crystals. Journal of Materials Science, 1994, 29(14): 3847–3856
doi: 10.1007/BF00357358
24 Cahoon J P, Broughton W H, Kutzuk A R. The determination of yield strength from hardness measurements. Metallurgical and Materials Transactions B, Process Metallurgy and Materials Processing Science, 1971, 2(7): 1979–1983
Related articles from Frontiers Journals
[1] WANG Baosong, JIANG Haihe, JIA Xiande, ZHANG Qingli, SUN Dunlu, YIN Shaotang. Thermal conductivity of doped YAG and GGG laser crystal[J]. Front. Optoelectron., 2008, 1(1-2): 138-141.
Full text