Basic properties of a new Nd-doped laser crystal: Nd:GdNbO₄

Abstract

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

References

[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

[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:Gd_0.8La_0.2VO₄. Journal of Crystal Growth, 1998, 193(3): 370–373

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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:Y_xLu₁-_xVO₄. Optical Materials, 2014, 36(12): 2034–2038

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[25] Townsend D, Field J E. Fracture toughness and hardness of zinc sulphide as a function of grain size. Journal of Materials Science, 1990, 25(2): 1347–1352

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61205173, 51272254, 51502292, and 61405206) and the Knowledge Innovation Program of the Chinese Academy of Sciences (No. CXJJ-15M055).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg