一种1.33μm附近波长热键合复合激光晶体及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能晶体材料领域，具体的说是一种1.33 μm附近新波长热键合复合激光晶体 A3ScxB5 x012/Nd: A3ScxB5 x012 (其中 A = Gd 或 Y ;B = Ga 或 Al)。
技术背景
[0002]1.33 μ m附近波段激光，例如，1336.3nm特殊新波长激光经6倍频、8倍频产生的222.7nm、167nm深紫外激光，在光刻、激光冷却及光频标等领域有着重要的应用前景，但激光冷却、光刻及光频标等需要波长的精确度较高。激光晶体是获得单一波长简单、有效的材料，目前尚没有直接能实现如1336.3nm特殊新波长的激光晶体。因此，探索发现1.33 μπι附近新波长激光晶体具有重要的应用价值和科学意义。激光晶体由激活离子和基质组成，基质是高性能激光晶体的载体，能为激活离子提供一个晶格场，由激活离子完成激光发生过程，因此如何选择适宜的激活离子和具有对激活离子输出波长的改变有一定影响的基质，是探索1.33 μπι附近特殊新波长激光晶体的关键。
[0003]Nd3+作为激活离子，其两个能级4F3/2和4113/2的stark子能级间跃迀，在1.33 μπι可以产生多个荧光峰，目前一些基质晶体中Nd3+在1.33 μπι附近有激光输出，要实现1.33 μπι附近的激光输出，选择Nd3+离子是比较适宜的。前期探索实验表明，目前最常见的Nd:YAG晶体激光波长在1338nm(参见魏勇等1318.8/1338nm同时振荡双波长Nd: YAG激光器，激光与红外，2005，35: 164), Nd: YAP晶体在1341.4nm(参见沈鸿元，双波长激光晶体，中国激光，1994，21:334)。一般具有化学计量比的基质晶体，其晶场基本是固定的，因此要直接获得1.33 μπι附近某些特殊的波长是比较困难的。而固溶体是组分的相对比例可以调节的，由于组分比例的变化，其晶格场作用也会有所不同，可以使荧光峰位置发生一定程度的移动。因此我们选择这类晶体作为基质并进行了一些实验工作。研究发现Nd:GGG晶体在1336.7nm和Nd = GSGG晶体在1335.5nm分别有较强的荧光峰，在掺Nd3+的Gd3ScxGa5 x012混晶中，变换其中Sc的比例时，此位置的荧光峰位置会发生移动，为通过晶场调节获得1.33 μπι附近某些特殊激光波长提供了可能。例如，当X = 0.3时，晶体在1336.3nm产生较强的荧光峰；在掺Nd3+的Y 3ScxA15 x012混晶中，当X = I时，也能使晶体在1336.3nm产生较强的荧光峰。因此我们筛选出的基质是A3ScxB5 x012 (其中A = Gd或Y ;B = Ga或Α1，0〈χ〈1.5)，其属立方晶系，空间群Ia3d，也是一种优良的固体激光基质材料，该晶体具有很多优点。第一，A3ScxB5xO12晶体与GGG及YAG晶体在热力学及机械性能方面比较相似！^A3ScxB5 x012晶体中掺入的部分Sc能使晶体具有抗射线辐照的能力，可以在强辐射或太空环境下应用；第三，在本发明申请中，通过改变晶体中Sc混晶比例，使晶格场产生一定的改变，从而使Nd3+离子荧光峰位置得到微调，可以得到1.33 μπι附近新的特殊应用波长，例如获得1336.3nm波长激光。
[0004]晶体栗浦时，由于储能不均匀，会导致热量在晶体内部不同的分布，产生较强的热透镜效应，影响激光输出稳定性和光束质量，为了进一步获得高功率、高光束质量和高稳定性的1.33 μπι附近的近红外激光，本发明申请提出通过热键合复合激光晶体减小晶体的热透镜效应，例如，我们已用970nm LD栗浦高温热键合得到的YSGG/Er，PriGYSGG复合激光晶体，结果表明，复合晶体的热透镜焦距变长，热透镜效应有了一定的改善，并可获得阈值90mW，斜效率19.2%，最大功率825mW的2.79 μπι激光输出(参见J.K.Chen等人Performances of a d1de end-pumped GYSGG/Er, Pr:GYSGG composite laser crystaloperated at 2.79 μm, Optics Express, 2014, 22:23795.)。但在相同条件下，单一Er, PriGYSGG晶体元件的阈值为102mW，斜效率17.7%，最大输出功率只达到430mW。因此，本发明申请中，通过晶场调节获得1.33 μπι附近某些特殊的荧光峰，例如，1336.3nm，采用脉冲氙灯或808nm半导体激光栗浦高温热键合复合激光晶体，在激光实验装置中，将谐振腔中的相关元件采用窄带全反膜或窄带高透膜，另外，使用标准具选择波长，实现高性能并可满足实际应用需要的新激光波长输出。
[0005]据检索，目前国内外都还没有关于用热键合复合激光晶体A3ScxB5 x012/NdiA3ScxB5 x012 (其中 A = Gd 或 Y ;B = Ga 或 Al)实现 1.33 μ m 附近新波长，如 1336.3nm 的研究报道。
【发明内容】
[0006]本发明解决的技术问题:克服现有技术的不足，提供一种能够在1.33 μπι附近实现新特殊波长激光输出的A3ScxB5 x012/NdIA3ScxB5 x012$键合复合激光晶体及其制备方法，其中 A = Gd 或 Y ;B = Ga 或 Α1，0〈χ〈1.5。
[0007]技术解决方案:
[0008]—种1.33 μπι附近波长热键合复合激光晶体，其特征在于:所述晶体的化学式为A3ScxB5 x012/Nd = A3ScxB5 x012，其中 A = Gd 或 Y，B = Ga 或 Al。
[0009]所述的一种1.33 μπι附近波长热键合复合激光晶体，其特征在于:Nd3+作为激活离子，是取代基质晶体A3ScxB5xO12中的A3+离子，取代浓度范围为0.l-2at.% ;所述的A3ScxB5 x012是含钪石榴石，作为基质晶体，为激活离子Nd 3+提供一个晶格场。
[0010]所述的一种1.33 μπι附近波长热键合复合激光晶体，其特征在于:所述A3ScxB5 x012/Nd: A3ScxB5 ,(^晶体，其中纯A 3ScxB5 ,(^晶体被高温热键合在掺激活离子NdiA3ScxB5 x012晶体的一端或两端作为端帽，可有效改善热透镜效应，提高激光性能。
[0011]所述的一种1.33 μπι附近波长热键合复合激光晶体，其特征在于:所述A3ScxB5 x012/NdIA3ScxB5九晶体，调节其中的x值，0〈χ〈1.5，能微调晶格场，可以使晶体的荧光峰位置在1.33 μπι附近发生移动，获得满足实际应用需要的新特殊波长。
[0012]所述的一种1.33μπι波长热键合复合激光晶体，其特征在于:采用目前成熟的脉冲氙灯侧面栗浦，或采用808nm半导体激光端面或侧面栗浦，可实现1.33 μ m附近波长激光输出。
[0013]所述的1.33 μπι附近波长热键合复合激光晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0014](I)固相法或液相法制备多晶原料
[0015]按照下列化学反应式:
[0016]3yNd203+ (3~3y) A203+xSc203+ (5-χ) B2O3= 2Nd 3yA3 3yScxB5 x012，A = Gd 或 Y ;B = Ga或Al，其中X是指基质晶体中Sc成分的大小，0〈x〈l.5 ;y SNd3+离子的掺杂浓度，y = O或0.001〈y〈0.02，其中y = 0，即没有掺入Nd3+离子，通过固相反应法或液相法制得A3ScxB5 x012或 Nd = A3ScxB5 χ012# 晶原料；
[0017](2)熔体法生长单晶
[0018]使用上述固相法或液相法制备的A3ScxB5 x012^Nd:A3ScxB5从多晶原料，再采用熔体法制备 A3ScxB5 x012i^ NdiA3ScxB5 χ012单晶；
[0019](3)高温热键合实现复合激光晶体
[0020]将上述熔体法制备的确定X和y值的纯A3ScxB5 ,(^和Nd = A3ScxB5九晶体分别切割适当的厚度后精密抛光，在室温下光胶，然后将光胶晶体在1200°C左右的高温和5N左右的压力下恒温5小时后可得到复合激光晶体A3ScxB5 x012/NdIA3ScxB5 x012，再切割加工成相应的尺寸作为激光晶体元件。
[0021]所述的1.33 μπι附近波长热键合复合激光晶体的制备方法，其特征在于，所述液相法指共沉淀法或溶胶-凝胶法。
[0022]—种1.33 μπι附近波长热键合复合激光晶体，其特征在于:所述的晶体可表示为 A3ScxB5 x012/NdIA3ScxB5 X012(A = Gd 或 Y ;B = Ga 或 Al)，其中 Nd3+作为激活离子，是取代基质晶体A3ScxB5xO12中的A3+(Gd3+或Y3+)离子，最适宜的取代浓度范围为0.l-2at.%。A3ScxB5九是含钪石榴石，其作为基质晶体，为激活离子Nd 3+提供一个晶格场，此外当基质晶体A3ScxB5 ,(^被高温热键合在Nd = A3ScxB5 ,(^的一端或两端作为端帽，可有效改善热透镜效应，提高激光性能。调节其中的X值，0〈χ〈1.5，微调晶格场，可使晶体的荧光峰位置发生移动，获得满足实际应用需要的新特殊波长激光。例如，实现1336.3nm这一特殊波长的激光输出，此波长经过6倍频或8倍频获得的222.7nm、167nm深紫外激光，在光刻、激光冷却及光频标等领域有着重要的应用前景。
[0023]所述A3ScxB5 x012/Nd = A3ScxB5xO12 (A = Gd 或 Y ;B = Ga 或 Al)晶体，其特征在于:采用目前成熟的脉冲氙灯侧面栗浦，或采用808nm半导体激光端面或侧面栗浦，可实现1.33 μ m附近新波长激光输出。
[0024]—种1.33 μ m附近波长热键合复合激光晶体，其特征在于实现步骤如下:
[0025](I)固相法或液相法制备多晶原料
[0026]按照下列化学反应式:
[0027]3yNd203+ (3~3y) A203+xSc203+ (5-χ) B2O3= 2Nd 3yA3 3yScxB5 x012，(A = Gd 或 Y ;B = Ga 或Al)，其中X是指基质晶体混晶Sc成分的大小，0〈x〈l.5 ;y SNd3+离子的掺杂浓度，y = O或0.001〈y〈0.02其中y = 0，即没有掺入Nd3+离子，通过固相反应法或液相法制得A 3ScxB5 x012或Nd = A3ScxB5 x012多晶原料。
[0028]所述液相法指共沉淀法或溶胶-凝胶法等；
[0029](2)熔体法生长单晶
[0030]使用上述固相法或液相法制备的A3ScxB5 x012^Nd: