专利名称：输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种输出2μm波段的激光晶体，特别是一种输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体，属于光电子材料领域。
背景技术：
输出2μm波段的激光晶体是极具应用价值的一类激光材料，在军事雷达、生物医学、环境保护等诸多领域有广泛的应用前景。这类激光晶体的激活离子主要有Tm3+、Ho3+等，主要的基质材料为钇铝石榴石(Y3Al5O12，以下简称YAG)。早期或目前已得到应用的Ho:YAG和Cr，Tm，Ho:YAG激光器是以氙灯作为泵浦源的，因此器件的体积和寿命都受到影响。而且，YAG晶体具有立方结构，以它为基质的激光材料通常因热负荷会在工作物质中引起应力双折射，从而影响激光效率。从上世纪90年代中期开始，出现了大功率激光二极管(LD)及其列阵，而用激光二极管泵浦的固体激光器同用氙灯泵浦的固体激光器比较，效率可得到显著提高。经文献检索发现，桂尤喜等人发表的“Cr，Tm，Ho:YAG晶体的生长和激光特性”(《人工晶体学报》，1994，23，增刊83)，该文提出氙灯泵浦的Cr，Tm，Ho:YAG激光器的激光输出斜率效率为4％，检索中还发现，邬承就等人发表的“694nm激光泵浦的Tm:YAG可调谐激光器”(《量子电子学报》，1998，15(1)60-65)，该文提到LD泵浦的Tm:YAG激光器的光—光转换效率为7.44％~32.34％。对LD泵浦掺Tm的2μm波段激光器而言理应还具有更高的激光转换效率，而较低的转换效率不仅增加激光器的使用成本，也影响其进一步推广。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体(以下简称激光晶体Tm:YAP)及其制备工艺，使其转换效率得到了提高。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明激光晶体Tm:YAP中，YAP是基质材料，Tm3+为掺杂离子，取代钇离子的晶格位置，其掺杂浓度为4-12at％。余量为基质YAP，即Y2O3和Al2O3的原子比为1∶1。该晶体使用激光二极管作为泵浦源。
本发明重点是基质的不同，YAP是一种很好的激光晶体基质材料，分子式为YAlO3，中文名铝酸钇，空间群为D2h16-Pnbm，属于正交晶系畸变钙钛矿结构。这种基质结构Tm3+更易替代Y3+的位置，所以掺杂浓度有望更高(Tm:YAG的Tm3+浓度为3-12at％)，使得激光输出功率更高。YAP晶格常数a＝5.329A°，b＝7.370A°，c＝5.179A°，具有各向异性的特点，该晶体因结构上的各向异性可以抑制由于热负荷引起的应力双折射效应，从而提高激光转换效率。
本发明激光晶体Tm:YA的制备工艺，工艺步骤如下(1)采用中频感应加热提拉法生长Tm:YAP晶体，发热体为铱坩埚，各原料经焙烧后按下式所示比例进行称量Al2O3+(1-x)Y2O3+xTm2O3＝2[Y1-xTmxAlO3]其中x为熔体中掺杂Tm离子的摩尔分数，晶体中的掺杂浓度则是x与分凝系数的乘积。
(2)原料经称配，研混均匀后，在液压机下压紧成块并在1300℃的高温下烧结发生固相反应，烧结好的原料放在干燥箱内保存。所用的原料纯度为Al2O399.995％，Y2O399.999％，Tm2O399.999％。
(3)用氧化锆作保温罩及保温材料，并用石英片封住观察窗口，采用惰性气体(如N2、Ar等)保护，生长温度1900℃，提拉速度1.5mm/h，晶体转速25rpm，在合适的温度分布条件下生长不开裂的Tm:YAP晶体。
用以上原料和工艺生长出了高质量的Tm:YAP晶体，晶体无色透明，外观良好，有优良的光学性能，容易用LD泵浦获得激光输出，且转换效率一般在40-45％之间。
从Tm:YAP晶体室温下的吸收光谱可见，吸收峰位于795nm，更有利于实现LD泵浦；吸收带半高宽2.5nm，有利于晶体对泵浦光的吸收，提高输出功率及转换效率。
从Tm:YAP晶体的荧光光谱可以得到，该晶体的荧光寿命在4.2ms左右；发射截面5×10-21cm2，是Tm:YAG晶体发射截面(2.2×10-21cm2)的二倍之多，因此Tm:YAP激光晶体的转换效率有较大程度的提高。
从上述可见，本发明研制的Tm:YAP激光晶体，与目前研究较多的Tm:YAG晶体相比，除具有提拉法生长、生长速度快、能够直接LD泵浦、对人眼安全等诸多优点外，还具有转换效率更高的优点，这恰是激光器一个非常重要的指标。因此，用输出2μm波段激光的Tm:YAP晶体制成的固体激光器有望在军事雷达、生物医学、环境保护等诸多领域取代Tm:YAG激光器。
使用本发明Tm:YAP激光晶体制成的固体激光器，不仅转换效率高，使用成本低，同时也保留了对人眼安全的优点。
具体实施例方式
结合本发明的内容提供以下实施例。
实施例1提拉法生长掺杂浓度为4at％Tm3+的Tm:YAP激光晶体。
利用中频感应加热，在Φ66×45mm的铱金坩埚中，放入压成片的Tm:YAP原料约590g，炉体抽高真空后充入99.999％的高纯氮气作为保护气体，采用提拉法，生长b轴晶体，生长速率1.5mm/h，转速25rpm，控制凸界面生长，生长出尺寸为Φ23×120mm的无色透明Tm:YAP晶体，等径部分长约80mm，重量约260g。
实施例2提拉法生长掺杂浓度为6at％Tm3+的Tm:YAP激光晶体。
利用中频感应加热，在Φ66×45mm的铱金坩埚中，放入压成片的Tm:YAP原料约590g，炉体抽高真空后充入99.999％的高纯氮气作为保护气体，采用提拉法，生长b轴晶体，生长速率1.5mm/h，转速25rpm，控制凸界面生长，生长出尺寸为Φ21×120mm的无色透明Tm:YAP晶体，等径部分长约80mm，重量约240g。
实施例3提拉法生长掺杂浓度为12at％Tm3+的激光Tm:YAP晶体。
利用中频感应加热，在Φ66×45mm的铱金坩埚中，放入压成片的Tm:YAP原料约590g，炉体抽高真空后充入99.999％的高纯氮气作为保护气体，采用提拉法，生长b轴晶体，生长速率1.5mm/h，转速25rpm，控制凸界面生长，生长出尺寸为Φ18×90mm的无色透明Tm:YAP晶体，等径部分长约60mm，重量约180g。
权利要求
1.一种输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体，其特征在于晶体的分子式为Tm:YAlO3，Tm3+为掺杂离子，其掺杂浓度在4-12at％，余量为基质YAP，即Y2O3和Al2O3的原子比为1∶1。
2.根据权利要求1所述的输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体，其特征是，YAP分子式为YAlO3，空间群为D2h16-Pnbm，属于正交晶系畸变钙钛矿结构YAP晶格，常数a＝5.329A°，b＝7.370A°，c＝5.179A°。
3.根据权利要求1所述的输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体，其特征是，使用激光二极管作为泵浦源。
4.一种输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体的制备工艺，其特征在于，工艺步骤如下(1)采用中频感应加热提拉法生长Tm:YAP晶体，发热体为铱坩埚，原料经焙烧后按下式所示比例进行称量其中x为熔体中掺杂Tm原子的摩尔分数，晶体中的掺杂浓度则是x与分凝系数的乘积；(2)原料经称配，研混均匀后，在液压机下压紧成块并在1300℃的高温下烧结发生固相反应，烧结好的原料放在干燥箱内保存；(3)用氧化锆作保温罩及保温材料，并用石英片封住观察窗口，采用惰性气体保护，生长温度1900℃，提拉速度1.5mm/h，晶体转速25rpm，生长Tm:YAP晶体。
5.根据权利要求4所述的输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体的制备工艺，其特征是，所用的原料纯度为Al2O399.995％，Y2O399.999％，Tm2O399.999％。
全文摘要
一种输出2μm波段的掺铥铝酸钇激光晶体及其制备工艺，属于光电子材料领域。本发明晶体的分子式为TmYAlO
文档编号C30B15/04GK1556261SQ20041001565
公开日2004年12月22日 申请日期2004年1月8日 优先权日2004年1月8日
发明者陆燕玲, 王俊, 孙宝德, 李胜华, 张佼, 巫瑞智 申请人:上海交通大学