专利名称：一种新型的1.54μm波段稀土离子激活的钆镓石榴石激光晶体的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光晶体材料领域。
背景技术：
1.5um波段激光是对人眼安全的光源，在光通讯、医疗、激光探测和测距 等领域具有广泛的应用。
惨E +离子的4113/2—4115/2跃迁可以产生 1. 54 u m波段的激射，但是其激光 效率很低，这主要是Er3+离子吸收泵浦源的效率很低引起的，为此，可以共掺 Yb"离子来敏化E,离子，采用980nm波段的LD激光泵浦源抽运，实现Yb3+ 2F5/2 —Er3+ 4111/2的能量传递，从而提高泵浦效率。由于Er3+离子从泵浦能级4lu,2到激 光上能级4113/2的荧光分支比仅10 20%，所以一般情况下采用高声子能量的材 料作为激光基质材料，可以有利于4111/2到激光上能级4113/2的无辐射跃迁几率， 大幅度提高激光上能级4113/2的粒子布居比例，从而提高激光效率。例如，磷酸 盐玻璃的有效声子效率非常高( 1300cm—"，因此Er掺杂的磷酸盐激光玻璃在 1.54um波段的激光效率达到最高( 35%);然而山东大学采用980nm激光二 极管泵浦Yb:Er:Ca4Y0(B03)3晶体的连续激光运转的效率只有26。％;中科院福建 物质结构研究所研制的Yb:Er:YAl3(B03)4准连续激光运转的效率也只有21%。但 是激光输出效率仍然很低(〈40% )，究其原因，主要是高声子能量的基质固然 可以提高E,离子从泵浦能级4111/2到激光上能级4113/2的无辐射跃迁几率，但是
同时也不可避免地增加了 Er3+离子激光上能级4113/2到下能级4115/2的无辐射跃迁 几率，从而降低了 1.54um波段的荧光量子效率，例如Yb:Er:Ca4Y0(B03)3 的4113/2能级的辐射寿命为6ms，而荧光寿命仅为1.26ms，即荧光量子效率仅21 而Er:YAB的量子效率仅7.0%。
除了采用高声子能量的基质材料外，还可以采用具有低声子能量的激光基 质材料，通过共掺泵浦能级的去激发离子，把Er3+离子从4ln,2能级上的粒子快速 无辐射地驰豫到％3/2能级。目前己有Eu3+、 Tb3+、 Ce"等稀土离子已被尝试作为 E^离子4111/2—4113/2的去激发剂。这些离子中Ce3+离子具有明显的优势:它在红外 波段只有卞5/2 、卞7/2两个能级，只与￡1^离子4111/2—4113/2跃迁之间发生能量转移， 而不影响其它能级。目前中科院上海光学精密机械研究所的科学家证实了 EU3+、 Tb"与E,离子共掺，会同时降低Er"离子4111/2、 4113/2两个能级的寿命，而共掺 &3+离子只降低了 E,离子4111/2能级的寿命，基本不影响4113/2能级。
钆镓石榴石Gd3Ga5012(GGG)是一种优秀的激光基质材料，作为激光基质材料， 它具有以下许多优点
1. 高的热导率8 Wmt1;
2. 低的热光效应鱼丄69 +昆Ln,;
3. 具有较低的声子能量(约为500 600cm—0 ，这有利于减少激光晶体的无 辐射跃迁几率，从而增加激光发射功率和效率；
4. 可以采用熔体提拉法生长大尺寸的晶体；
5. 具有良好的物化性能，不溶于强酸强碱，硬度高，激光损伤阈值高；6. 对于稀土激活离子，在相应泵浦波长处具有较大的吸收截面，并具有大的发射截面；
7. 具有高的热容，因此可以应用于高功率热容激光器；
8. 具有较低的熔点，约为1725。C，(例如比YAG低200。C);
9. 采用提拉法生长的晶体容易实现平界面生长，不会产生由杂质、应力等引 起的核心，整个横截面都可以有效利用，有利于获得大直径晶体元件；
10. 它的热容很高，目前已经应用于高功率热容激光器；
11. Gd的半径比Y离子大，容易进行稀土离子的掺杂，有利于生长高质量的晶 体；
目前，Nd:Gd3GaA2作为一种优秀的固体热容激光工作介质，近年来已经引 起了国内外的广泛关注。在国际上，向美国利夫莫尔国家实验室提供晶体的公 司生长的晶体尺寸己经达到cbl00 (J)150mm" 4)，在2003年，美国实验室采用 LD泵浦的Nd:Gd3Ga5(X2激光器激光输出的平均功率突破了 IOKW，在2004年则达 到了 30KW,其近期的目标是达到IOOKW。在国内，中科院安徽光学精密机械研 究所等几个单位也投入了大量的人力物力进行研究，目前生长的晶体尺寸已经 达到4)80腿，采用激光二极管阵列泵浦下，实现了重复频率为50Hz，平均功率 高于3500瓦的激光输出。
显然地，Gd3Gas(X2是一种优良的激光基质晶体，Yb:Er:Ce:Gd3Ga^2也将是一 种新型的、1.54um波段的优质激光晶体，但是对于采用Gd3Ga^2作为基质材料 的激光晶体，目前研究的重点主要是集中在Nd和Yb激活的高功率热容激光晶 体，对于其它激活离子掺杂的Gd3Ga^激光晶体的研究较少，特别是对于Yb3+:Er3 + :03+掺杂的Gd3GaA2激光晶体，目前国内外都尚未有研究报道。
发明内容
本发明的目的在于公开一种能够实现 1. 54um波段激光输出的激光晶体材 ^b3+:Er3+:Ce3+:Gd3Ga5012。 实现本发明目的技术方案
1. 一种新型的1.54iim波段稀土离子激活的钆镓石榴石激光晶体，该激光晶体 材料的化学式为Yb:Er:Ce:Gd3Ga5012。
2. —种项1的激光晶体材料的制备方法，采用Ga203和Gd203、 Er203、 Yb203、 Ce02 超细微粉作为原料，在还原气氛条件下，通过高温固相反应获得 Yb:Er:Ce:Gd3Ga^原料，在还原气氛条件下，采用提拉法生长晶体。
3. —种项1的激光晶体材料的用途，该材料用于实现1.54um波段激光输出。
掺E,离子的4113/2—4115/2跃迁可以产生 1. 54 u m波段的激射，但是其激光 效率很低，为此，可以共掺Yb3+离子来敏化Er3+离子，采用980nm波段的LD激 光泵浦源抽运，实现Yb3+ 2F5/2 —Er3+ 4111/2的能量传递，从而提高泵浦效率。同 时采用具有低声子能量的激光基质材料，通过共掺泵浦能级的去激发离子，把 Er"离子从4111/2能级上的粒子快速无辐射地驰豫到4113/2能级。目前已经证明共掺 Ce"离子只降低了 E一+离子4111/2能级的寿命，基本不影响4113/2能级。Gd3Ga必2是 一种优良的激光基质晶体，Yb:Er:Ce:Gd3GaA2也将是一种新型的、1.54um波段 的优质激光晶体，
附图为激光实验装置。
具体实施例方式
实施例一Yb:Er:Ce:Gd3Ga5012晶体的生长制备
晶体提拉法生长所用的仪器是D几-400的中频提拉炉，中频电源型号为 KGPF25-0.3-2.5。采用Pt/Pt-Rh的热电偶和型号为815EPC的欧路表控温。所采 用的坩埚是O55mmX30腿的铱坩埚，所用的原料是4N级的Gd203、 Ga203 、 Er203、 Ce02 、 Yb203。根据下列化学反应式配制原料
(3-x-y-z)Gd203 + 5Ga203 + xEr203 + yYb203 +2zCe02 - 2 Gd(3-x-y-z)ErxYbyCezGa5012
x = lat% 30at%; y = lat% 50at%; z = lat% 50at%。把原料混合均匀， 压成片状，置于铂坩埚中，以15()Gc/h缓慢升温到烧结的预定温度，重复此过程， 直至X射线粉末衍射的结果不变为止。
把原料装入O55mmX30mm的铱坩埚内，为了避免铱坩埚的氧化，首先抽出 炉子内的空气体，使得炉子内的气压达到10-3pa，再把0. 04MPa的还有气氛氮
气充入，然后升温到比熔点高500C的温度，恒温1小时，使得原料熔化完全。 先以Y3A1^ (YAG)做为籽晶生长出Yb3+:Er3+:Ce3+:Gd3Gas(X2晶体，再以Yb3+:Er3 + :"3+:0山035012晶体做为籽晶生长大尺寸的优质晶体。生长过程中，籽晶杆的提 拉速率为1.3 1.5 mm/h，降温速率为2 10° C/h，籽晶杆的转动速率为12 20r. p. m.，生长结束后，将晶体提离液面，然后以10 30° C/h的速率降至室温， 得到尺寸为4)30 mm X30腿的透明晶体。
实施例二 Yb: Er: Ce: Gd3Ga50I2晶体的激光实验
加工出尺寸为5mmX5mmX5mm的优质Yb3+:Er3+:Ce3+:Gd3GaA2晶体器件，采 用980nm波段的LD二极管作为泵浦源，进行激光实验。实验装置如附图所示。 图中1是块状Yb3+:Er3+:Ce3+:Gd3Ga必2晶体；2是LD 二极管及其电源；3是对入 = 1. 54um波段全反射和对980nm波段全透的介质镜；4是对入二 1. 54ym 波段部分透射的介质镜；5是LPE-1A激光能量计。
权利要求
1. 一种新型的1.54μm波段稀土离子激活的钆镓石榴石激光晶体，其特征在于该晶体材料的化学式为Yb3+:Er3+:Ce3+:Gd3Ga5O12。
2. —种权利要求1的激光晶体材料的制备方法，其特征在于:采用GaA和Gd203、 Er203、 Yb203、 Ce02超细微粉作为原料，在还原气氛条件下，通过高温固相反应获 得Yb:Er.Ce:Gd3Ga必2原料，在还原气氛条件下，采用提拉法生长晶体。
3. —种权利要求l的激光晶体材料的用途，其特征在于该材料用于实现l. 54um 波段激光输出。
全文摘要
一种新型的1.54μm波段稀土离子激活的钆镓石榴石激光晶体，涉及激光晶体材料领域。该激光晶体材料的化学式为Yb:Er:Ce:Gd<sub>3</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>。采用Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、CeO<sub>2</sub>超细微粉作为原料，在还原气氛如氮气的条件下，通过高温固相反应获得Yb:Er:Ce:Gd<sub>3</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>原料，在还原气氛如氮气的条件下，采用提拉法生长晶体。该材料用于实现1.54μm波段激光输出。
文档编号C30B29/10GK101377015SQ20071000944
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者朱昭捷, 李坚富, 涂朝阳, 游振宇, 燕 王 申请人:中国科学院福建物质结构研究所