钇和镧系的混合硅酸盐以及应用这些硅酸盐单晶的激光器的制作方法

文档序号:6801307阅读:340来源:国知局
专利名称:钇和镧系的混合硅酸盐以及应用这些硅酸盐单晶的激光器的制作方法
技术领域
本发明涉及单相形式的,特别是制成单晶形式的,钇和镧系的混合硅酸盐。
本发明所涉及的硅酸盐最常用于下列各技术领域,包括用于集成光学系统的微型激光器、光纤通讯、医学(微型手术、皮肤和眼睛的治疗)、半导体研究和科学研究(有机分子和材料的光谱),以及可用于进行大气遥控分析的和用于空间通讯的功率激光器。
这些激光器能在室温下发射出了一种波长处于人眼安全区域之内的,波长约在1.55至2μm一带的激光。这些激光器具有一定程度的波长可调性。
在已知的技术中,能够发射一处波长接近于1.55μm光波的激光器发射体是通过把Er3+离子掺杂进一种能够透过所说波长的基质(即晶体或玻璃)而制得的。在Er3+离子的激发态4I13/2和基态4I15/2之间的电子跃迁形成了一种三能级激光。由于所说电子跃迁而发射出的光波波长与Er3+离子的结晶学环境密切相关,这一点正如附表1所示。
在室温下其发射波长在2μm附近可调的激光器已经能够用一些已知的激光材料生产出来,所说的激光材料是指用Tm3+和/或Ho3+离子掺杂的Y3Al5O12,Y3Sc2Ga3O12,YalO3,LiYF4。这些激光器分别利用了Tm3+离子在其3F4能级和基态能级3H6之间的电子跃迁以及Ho3+离子在其5I7能级和基态能级5I8之间的电子跃迁。从而有了三能级的激光器,对于这些激光器来说,所有在室温下的基态能级都具有重要的功能。
Er3+,Ho3+和Tm3+离子的一种十分重要的性质是在这些受激光离子之间,能量转移的可能性很大,这就导致了交叉弛豫(cross-relaxa-tion)和向上转移(up-conversion),这些现象常常限制了在红外区电子跃迁的效率。
因此,有可能用掺杂有Er3+离子的YAlO3,Y3Al5O12,Y3SC2Ga3O12,LiYF4或YF3晶体制成这样一种激光器,当在近红外区对其单晶进行泵激时,它就能发射一种绿光,也有可能用掺杂有Tm3+离子的LiYF4晶体制成这样一种激光器,当在近红外区对其单晶进行泵激时,它就能发射蓝光。如此就可以明白,这些离子的受激特征红外区发射效率,在1.55至2μm一带要受到显著的影响。
玻璃和掺杂了Er3+的SiO2纤维将显示出它们是一种可以部分地克服上述缺点的单晶材料。这些掺杂了Er3+的基质能受激发射一种波长处于最大的人眼安全范围内的激光(见表1),除此之外,玻璃及其纤维具有高密度的声子,这种特征使它们有可能降低Er3+离子的电子能级,并且通过这些离子之间的能量转移,或通过非发射的弛豫过程,有可能任选地提高电子能级。遗憾的是,玻璃及其纤维的热力学性能,特别是它们的热导率要比上述单晶物质的热导率低得多,因此它们不适合用作具有平均高功率的激光器的结构材料。
此外,要生产一种能够在1.55至2μm一带的波长范围内发射激光的功率激光器应包括在激光器的腔室中使用这样一种单晶材料(由于它们具有优良的热力学性质),这种材料易于掺杂进Er3+、Tm3+和Ho3+离子,而且对于这些掺杂工艺来说,这种单晶材料在所说的这些离子之间发生能量转移的可能性非常小。
为了把所说的这些能量转移减少到最低程度或者根本上将其消除,解决的办法之一就是利用一种由体积巨大的阴离子基团为主构成的基质(例如硅酸盐)来将活性的Er3+、Ho3+和Tm3+离子相互隔离开。此外,象玻璃及其纤维等硅酸盐具有声子密度大的特点。因此,由于交叉弛豫和/或向上转移而任选地提高了的活化离子的电子能级,最好通过有声子参与的,非发射的弛豫过程而使其去激,从而达到在红外区域中激光跃迁的更高能级,这样就可以相应地提高在1.5至2μm一带受射发射的效率。
在这些硅酸盐中,掺杂有稀土元素的氧化原硅酸钇的单晶Y2SiO5(下文称为YSO)具有很有趣的发光性能。
在共掺了Er3+的YSO单晶中,以及共掺了Er3+和Tm3+的YSO单晶中的Ho3+离子的发光性质已由A.M.Morozov等人进行过研究(Opt.Spectrosc,Vol.41,6(76),p.641-642),并且这种发光性质已被用来生产这样一种激光器,该激光器可用一种能发射2.1μm附近区域光线的闪光灯来泵激,并且它只对T<220K起作用。
为了提高泵激效率并从而提高基于活性Ho3+离子的激光器的总效率,把Er3+和Tm3+离子共掺进YSO单晶中,以便提高这种材料在所说闪光灯的发射波长区域内的平均吸收系数。Er3+和Tm3+离子都被用来作为有效活化Ho3+离子胺激发射的敏化剂。还有人研究过把这些共掺工艺用到YAG和LiYF4单晶中(E.P.Chicklio et al.,IEEE J.of Quant.Electr.,Vol.QE 8,2(1972),p.225-234)。
在借助于灯泡的泵激光发射中,Er3+和Tm3+是处于中间状态的,而Ho3+离子只有在2.1μm附近产生受激发射。以Er3+和Tm3+离子为一方而以Ho3+离子为另一方这二者之间进行能量转移的可能性很大。A.M.Morozov没有观察到来自Er3+和Tm3+离子的任何受激发射。
此外,一种掺杂有Na3+离子的YSO单晶已被制造出来,该单晶在0.912和1.075μm处能产生有效的受激发射,这情况在论文(K.S.Bagdasarov et al,Sov.Phys.Dokl.,Vol.18,10(74),p.664)中有所介绍。
本发明涉及一类单晶形式的,钇和镧系的新颖混合硅酸盐,这类混合硅酸盐可用作激光发射体,并且,尤其是因此可使这种激光发射体克服上述的缺点。特别是,这些硅酸盐在激光器工作的环境温度下能产生一种处于红外范围内的具有平均高功率的有效受激发射。
更具体地说,本发明涉及一类掺杂有Er3+或Tm3+离子并任选地共掺有Yb3+离子的,钇和镧系的单相氧化原硅酸盐。
这些氧化原硅酸盐具有如下通式(Ⅰ)
(Ⅰ)其中,M代表选自Er和Tm其中的一个镧系元素,而x和y分别代表满足于数学式0<x≤0.2和0≤y≤0.2的一个数。
这些经过掺杂的氧化原硅酸钇可以用常规的,从熔池中控制的方法(例如Czochralski法或Bridgman法)制成单晶的形式。
Er3+和Tm3+的离子半径皆接近于Yb3+的离子半径,而这些镧系元素离子的分离系数接近于1,并且据报导,这些元素的硅酸盐的熔点相同。这就有助于这些硅酸盐的晶体生长,因此有可能借助于在工业上用来生产功率激光器的Czochralski法来制造出大的高质量的单晶。
与玻璃相比,YSO在热力学性质方面,特别是在热导率方面更接近于化学式为Y3Al5O12的铝和钇的柘榴石。这种优良的热导率可使得在激光发射晶体中产生的热很快地扩散出来,这一点对于生产功率激光器来说是必需的。
使用本发明的硅酸盐单晶的激光器可以用一个灯泡或多个激光二极管来进行光泵激,并且最好是采用激光二极管来进行光泵激。这样,由于这些激光二极管具有体积十分小的优点,因此大大地减小了激光器的整机尺寸。而且,它们具有一定程度的波长可调性以及出色的效率,因此在相同电流的条件下与灯泡泵激相比,激光二极管提高了激光器的效率。
在本发明的混合硅酸盐中,激光活化剂是Er3+或Tm3+离子,而激光敏化剂是Yb3+离子。
根据本发明的第一个主要特征,钇和镧系的混合硅酸盐具有下列化学式(Ⅱ)
(Ⅱ)其中,x和y分别为满足数学式0<x≤0.15和0≤y≤0.2的一个数。
这些硅酸盐是单相的并且被制成单晶的形式,以便用来生产这样一种激光器,这种激光器能发射一种波长处于红外范围内,在1.55μm附近并有一定波长可调性的激光。
当用一个激光二极管来进行激发时,YSO∶Er3+单晶的最大特征是具有从1.45至1.7μm的宽阔的荧光带,其中最强的荧光在1.545μm一带,这是对眼睛最安全的区域。
对于化学式(ⅰ)所示的,其x=0.1和y=0的YSO单晶来说,其激发态4Ⅰ13/2的寿命等于9.2ms,因此,当借助于氙灯或氪灯或激光二极管发射出0.79μm或0.98μm或从1.45至1.48μm的光线来对上述晶体进行泵激时,就可使该晶体贮存相当大的能量。
根据本发明,Er3+离子的掺杂率可在x=0.003至x=0.15之间变化,其中当x=0.003时有利于用激光二极管在1.45至1.48μm处泵激,当x=0.15时有利于用灯泡泵激。最佳的情况是x值处于0.01至0.03之间。
当借助于激光二极管在0.79或0.98μm处或用灯泡发射来对基于YSO∶Er的激光器进行泵激时,根据本发明的钇的掺杂可以提高这种激光器的泵激效率。这种共掺杂(已经应用于掺杂Er3+的磷酸盐玻璃中)的优点是具有很好的Er3+离子的吸收带,这是一条在0.99μm附近的宽吸收带,该吸收带可以通过Er3+离子的高能级的非放射去激而得到加强。也可借助于激光二极管在0.98μm处的泵激而得到加强。当采用钇来共掺时,钇的共掺率可在y=0.08和y=0.2之间。
根据本发明的另一个主要方面,单相形式的钇和镧系的混合硅酸盐具有下列化学式(Ⅲ)
(Ⅲ)其中x是一个满足于0<x≤0.2的一个数。
当将这些Y-Tm的硅酸盐制成单晶的形式并安装于一个激光器的腔室中,同时借助于一个激光二极管在0.79μm波长处将其激发时,这些硅酸盐单晶就会发射一种波长处于1.5和2.1μm之间的十分强并十分宽的荧光带,并在约1.72,1.8,1.94和2.02μm处具有几条最强线。对于化学式(Ⅰ)所示的,其x=0.1和y=0的晶体来说,其受激发射的发射极的能级3F4的寿命为1.3ms,因此,当借助于灯泡或激光二极管对所说晶体进行泵激时,就可使该晶体在此能级上贮存相当大的能量。
基于YSO∶Tm的激光器在受灯泡或激光二极管泵激而产生的受激发射在环境温度下在1.7至2.05μm之间是连续可调的。
作为用于生产可调激光器的泵激方法的一个函数,Tm3+离子的掺杂率可在0.005和0.2之间变化。
由于本发明的混合硅酸盐可用作这样一种激光发射体,该激光发射体可在室温下发射一种处于红外范围对眼睛安全的区域内的激光,因此本发明还涉及这样一种激光器,该激光器具有一个激光器腔室,腔室内安装有一个由化学式(Ⅰ)表达的,作为光发射体的硅酸盐单晶,一个用于增强由单晶发出的光线的装置,一个用于消除来自激光腔室的光线的装置,以及一个光泵激装置。
特别是该激光器是一个波长可调的激光器,因此它应带有一个用于调节的装置。
下面将参考附图,以非限定的例举的方式,更详细地描述本发明,在此附图中示出

图1简略地示出本发明的一个连续操作的功率激光器,该激光器用一个激光二极管来泵激。
图2简略地示出本发明的一个用灯泡来泵激的功率激光器。
下面将解释利用Czochralski晶体生长法来生产一种本发明硅酸盐单晶的方法。为此目的,将一些十分纯的市售的钇、硅、铒、铥并任选地还有镱的粉末,按所需的比例称量,然后将它们混合并在1500℃下煅烧。接着将所获粉末混合物放入一个铱坩埚中。然后在隔绝大气中氧的条件下将混合物加热至熔点(接近2100℃)以使其形成熔池。
也可以用由Y3+、Si4+、Er3+、Tm3+离子并任选地有Yb3+离子在水溶液中或非水溶剂中共沉淀生成的氢氧化物作为起始原料来形成所说的熔池。通过氨水与市售的各种不同的金属元素的硝酸盐或氯化物作用,可以获得共沉淀物。然后在抽气的条件下将所获共沉淀在400℃下处理,直至达到完全有脱水为止,然后在1500℃下煅烧。然后把所获产品放入一个铱坩埚中将其制成熔池。
把一个其成分与熔池成分相同的单晶晶核,例如按平行于晶格的方向b切开,然后将该晶核与熔池接触,然后将其一边旋转,一边提拉。因此,单晶就在晶核的端面上按照由晶格形成的方向逐渐生长。所用的提拉速度为0.3至2mm/h,而旋转速度为5-40转/分。
表Ⅱ给出了本发明的硅酸盐单晶的例子,这些单晶是通过Czochralski法用不同离子的氧化物粉末制得的。
在该表的右边一栏给出了用于制造单晶的原始摩尔百分组成,而右边一栏给出了所获结晶的化学式。
图1简略地示出了一个使用本发明的硅酸盐单晶的,连续可调的功率激光器。
该激光器包含一个激光腔室2,里面装有一个本发明的硅酸盐棒4。一个激光二极管6支持在热扩散元件8上,这样使它能够通过一个聚焦透镜10照射到所说的单晶棒4上,因此保证了单晶棒4的光学泵激作用。一个用于冷却单晶棒4的水循环式冷却装置可以围绕单晶棒4来安装。
激光器腔室2中安装有一个入射分光镜12,在其附近有一个单晶棒4,另外有一个出射镜14。入射镜12可以透过由二极管6发射的光线而反射由单晶棒4发射的光线。出射镜14部分地透过由单晶棒4发射的光线。
单晶棒4的激发导致它的受激发射,发射出的激光在出射镜14处被反射,然后重新通过单晶棒4,按此方式激光得到加强。加强了的激光束然后又被镜12反射而朝向单晶棒4,如此继续下去。
在激光腔室2中得到了充分加强的激光束16然后通过出射镜14沿着轴线3的方法发射出去。
借助于一个安装在单晶棒4和出射镜14之间的波长选择系统18来达到波长调节,该波长选择系统是由某些双折射材料板制成的Brewster三角棱镜型或Lyot滤光镜型的系统。另外,可以把一块具有平行表面的板状固体标准件20安插在单晶棒4和波长选择器18之间,以便使发射波长固定下来。另外还可以把本发明的硅酸盐用于一种如图2所示形式的功率激光器。
该激光器的腔室2具有一个入射镜12、一个出射镜14和一个由本发明的硅酸盐单晶制成的单晶棒14。在单晶棒4的每一侧皆安装有充气灯泡22,24,而最好是安装一种高亮度的氪或氙的闪光灯。这些灯具有细长的形状,它们轴向平行于激光器的轴线3,以保护能对单晶棒4进行轴向的光泵激。可以安装一个环绕单晶棒4的循环水装置,以保证对单晶棒4的冷却。
如果希望获得一个波长可调的激光器,则可在激光器的腔室2中安装一个波长选择器18。
实例1按照与提拉轴向b相垂直的方向从表Ⅱ中所列的单晶1上切下一块5mm厚的晶片然后将其抛光。然后从其中沿着轴向b割取一个5mm直径的芯棒,将此芯棒按图1所示的方式装在激光腔室2中。
借助于激光二极管6发射的波长在0.79至0.80μm,或在0.97至0.98μm,或在1.45至1.48μm的光线对单晶棒泵激。入射镜12的表面12a必须进行一种防反射处理,以使它能防止这些波长中的一种或另一种波长反射。
在波长1.56μm处,入射镜的反射率R1必须达到最大,也就是R1≥99.8%,而出射镜对此波长的反射率(以R2表示)在95至99%之间变化。
从所说激光腔发射出的激光束16的波长为1.56μm并且是一种单色光。它输出的能量与激光二极管所发射的能量呈线性的依赖关系。最好是对单晶棒4上平行于入射镜12的两个表面进行一种能够防止在1.56μm波长处的光线反射的防反射处理。
实例2在单晶No.3内沿着轴线b割取一块芯棒,该芯棒的直径可在4和10mm之间变化,而其长度则根据适合使用的单晶长度来决定。将此单晶棒的两端表面抛光,同时注意使这两个表面达到精确的平行,然后对这两个表面进行在1.56μm波长处的防反射处理。将此单晶棒按图2所示方式安装于腔室中,并借助于连续的或脉冲的氙灯或氪灯22,24进行泵激。
入射镜12的反射率R1在1.56μm处达到一个最大值,即R1≥99.8%,而出射镜的反射率R2可在95至99%之间变化。
激光器1.56μm处的能量(或称输出功率)随灯泡的能量(或称发射功率)而呈线性地变化。
实例3按照与提拉轴向b相垂直的方向从单晶No.5上切下一块5mm厚的晶片,然后将其抛光。然后从其中沿着轴向b割取一个5mm直径的芯棒,并且进行在1.7至2.05μm波长范围内的防反射处理。然后将此单晶棒按图1所示方式装在腔室2中,并借助于激光二极管在0.791μm处发射的光线进行泵激。
然后对入射镜的表面12a进行在0.791μm处的防反射处理。入射镜12在1.7至2.05μm之间的激光可调范围内的反射率R1必须达到一个最大值,也就是R1≥99.8%,而出射镜在相同的波长范围内的反射率R2在92至99%之间变化。
借助于进行过在1.7至2.1μm之间的防反射处理的标准件20和/或Lyot过滤器18,可使激光射束在1.7至2.05μm之间达到波长可调。
所说激光器的输出功率随激光二极管的发射功率呈线性的关系变化并在1.7至1.96μm一带达到一个最大值。
权利要求
1.混合单相的钇与镧系元素的硅酸盐,它具有如下的化学式(ⅱ)Y2-2x-2yM2xYb2ySiO5其中,x和y分别为满足于0<x≤0.15和0≤y≤0.2的一个数。
2.如权利要求1的硅酸盐,其特征在于,x满足于数学式0.005≤x≤0.15。
3.如权利要求1的硅酸盐,其特征在于,x满足于数学式0.01≤x≤0.03。
4.如权利要求1的硅酸盐,其特征在于,y满足于数学式0.08≤y≤0.2。
5.如权利要求1的硅酸盐,其特征在于,它的化学式为Y1.98Er0.02SiO5。
6.如权利要求1的硅酸盐,其特征在于,它的化学式为Y1.74Er0.06Yb0.20SiO5。
7.混合单相的钇与镧系元素的硅酸盐,该硅酸盐具有如下的化学式(Ⅲ)Y2-2XTm2XSiO5(Ⅲ)其中x为满足于数学式0<x<0.2的一个数。
8.如权利要求7的硅酸盐,其特征在于,X满足于数学式0.005≤x≤0.2。
9.如权利要求7的硅酸盐,其特征在于,该硅酸盐的化学式为Y1.76Tm0.24SiO5。
10.具有一个激光腔室(2)的激光器,所说的腔室包含一个作为激光发射体的单晶(4),用于使从单晶出来的光线加强的装置(12,14),用于消除来自激光器腔室的光线的装置(14),以及光学泵激装置(6,22,24),其特征在于,该单晶具有如下化学式(Ⅰ)Y2-2x-2yM2xYb2ySiO5(Ⅰ)其中M代表选自Er和Tm中的一种镧系元素,而其中的x和y分别是为满足于数学式0<x≤0.2和0≤y≤0.2的一个数。
11.如权利要求10的激光器,其特征在于,所说的泵激装置(6)含有至少一个激光二极管。
12.如权利要求10的激光器,该激光器是在红外范围内波长可调的,其特征在于,该激光器具有波长调节装置,其特征还在于,M代表Tm,并且0<x≤0.2和y=0。
13.如权利要求10的激光器,它发射波长在1.55μm处的激光,其特征在于,在化学式中,M代表Er,并且0<x≤0.15和0≤y≤0.2。
全文摘要
钇和镧系元素的混合硅酸盐,以及使用这些硅酸盐单晶的激光器。该激光器具有一个激光腔室(2),该腔室包含有一个作为激光发射体的单晶(4),用于使从单晶出来的光线加强的装置(12,14)。用于消除来自激光器腔室的装置(14),以及光泵激装置(6),其特征在于,该单晶具有化学式(I)Y
文档编号H01S3/16GK1059882SQ9110984
公开日1992年4月1日 申请日期1991年10月24日 优先权日1990年10月25日
发明者C·富尔, R·蒙科, R·罗梅罗, C·怀恩 申请人:法国原子能委员会
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