一种新型的1.54μm波段稀土离子激活氧化钇激光晶体的制作方法

文档序号:8179986阅读:295来源:国知局
专利名称:一种新型的1.54μm波段稀土离子激活氧化钇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
1.5"m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。
掺E +离子的4113/2—4115/2跃迁可以产生 1. 54y 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Er"离子,采用980mn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Er3+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 E +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7.00/0。
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£ +离子从41 /2能级上的粒子快速 无辐射地驰豫到4113/2能级。目前已有Eu3+、 Tb3+、 Ce3+等稀土离子己被尝试作为 £ +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 波段只有乍5/2 、乍7/2两个能级,只与Er3+离子41^—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Er3+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 Ce"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。
¥203是一种优秀的激光基质材料,它属于立方晶系,空间群为h纟晶胞参
数为a = b = c = 10.60 1作为激光基质材料,它具有以下许多优点-
1. 高的热导率27 Wm—'K—、对于激光材料的冷却,提高光束质量具有很重 要的意义;
2. 具有较低的声子能量(约为 377cm1),激光晶体具有很低的无辐射跃 迁几率,从而增加激光量子效率;
3. 宽的透光波段0.23Aim —8Aim;
4. 属于同成分熔化体系,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. 与稀土激活离子¥^03、配203等具有相同的晶体结构,物理性质各向同性, 离子半径相差不大,价电荷一致,因此容易生长高质量的稀土离子激活 的激光晶体;
7. 晶场强度很大,掺杂在¥203基质中的稀土激活离子的基态能级分裂相当 大,这对于像Yb3+等离子来说,有利于形成准四能级激光系统,可以大大 地降低激光阈值;
8. 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( 10—19cm2), 并具有较大的发射截面(10—19 10—18cm2)。
显然地,Y203是一种优良的激光基质晶体,Yb:Er:Ce:Y203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103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激活的激光晶体,对于其它激活离子掺杂 的103激光晶体的研究较少,特别是对于Yb":Er3+:Ce3+掺杂的103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 3p4Yb3+:Er3+:Ce3+:Y203。
实现本发明目的技术方案 1. 一种新型的1. 54um波段稀土离子激活氧化钇激光晶体,该晶体材料的化学 式为Yb:Er:Ce:Y203。2. 一种项1的激光晶体材料的制备方法,采用Y203、 Er203、 Ce02、 Yb2(U乍为原 料,在还原气氛条件下,通过高温固相反应获得K2ZnCl4:Ni21fH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Er"离子的4113/2—4115/2跃迁可以产生 1. 54u 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+ 41 /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 Er3+离子从4l^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 &3+离子只降低了 £^+离子4111/2能级的寿命,基本不影响4113/2能级。YA是一种 优良的激光基质晶体,Yb:Er:Ce:Y203也将是一种新型的、1. 54 u m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:Y203晶体的生长制备
晶体提拉法生长所用的仪器是高频提拉炉,所采用的坩埚是O55mmX30mm 的钼坩埚,所用的原料是4N级的Y203、 Er203、 Ce02 、 Yb203。根据下列化学反应式 配制原料
(2-x-y-z) Y203 + xEr203 + yYb203 +2zCe02 -2 Y(2—x—y-z)ErxYbyCez03
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150。C/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的钼坩埚内,为了避免钼坩埚的氧化,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。 先以钼丝生长出Yb^E,:Ce、Y203小晶体,再以丫^^3+:(^3+:丫203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 ram X 30 mm 的透明晶体。
实施例二 Yb:Er:Ce:Y203晶体的激光实验
加工出尺寸为5mmX5mmX5m的优质Yb3+:Er3+:Ce3+:Y203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Yb":Er^Ce3+:Y203晶体;2是LD 二极管及其电源;3是对A = 1. 54 y m波段全反射和对980nm波段全透的介质镜;4是对A = 1. 54 y m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1.54um波段稀土离子激活氧化钇激光晶体,其特征在于该晶体材料的化学式为Yb:Er:Ce:Y2O3。
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YA、 Er203、 Ce02、 Yb203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:Y203 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1的激光晶体材料的用途,其特征在于该材料用于实现1. 54um 波段激光输出。
全文摘要
一种新型的1.54μm波段稀土离子激活氧化钇激光晶体,涉及激光晶体材料领域。该晶体材料的化学式为Yb:Er:Ce:Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>。采用Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、CeO<sub>2</sub>、Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>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:Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>原料,在还原气氛条件下,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C30B29/10GK101377013SQ20071000944
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
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