一种共掺敏化离子的铒离子激活的钆镓石榴石新型激光晶体的制作方法

文档序号:8179987阅读:533来源:国知局
专利名称:一种共掺敏化离子的铒离子激活的钆镓石榴石新型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
2.6 3.0um波段的激光在大气遥感、红外激光雷达、激光医疗和国防安全 等领域具有广阔应用前景,特别是3.0um 5.0ixm波段的中红外激光,是目前 最缺乏和最急需的光源波段之一,它在国防和民用上都有着广泛的应用,在国 防安全和环保上,由于该波段或是位于大气的传输窗口,是光电对抗和反导中 必须依靠和应用的干扰源;因为是处于"分子指纹"区的缘故,还可以用来远 距离探测化学物质,在反化学战和环境保护中起到关键性的作用。
Er3+离子激活的激光晶体均可产生2.6 3.0"m波段的激光光源。目前,已 有报道采用氙灯泵浦Er:Y3Al5012 (YAG)激光晶体可以在2. 940um波段产生 3. 8W(10Hz, 380mJ)的激光输出,在市场上已经商业化。在1994年德国Bradley. J 报道了采用 970nm波段的LD激光泵浦Er3+: YAG、 Er3+: Gd3Ga5012和Er: Y3Sc2Ga3012 (YSGG)激光晶体,分别在2. 937um、 2. 821um和2. 797um波段实现了 143mW、 155mW 和190mW的激光输出,斜率效率分别为27%、 26%和31%。 Gd3Ga5012中E一+激光 上能级4111/2的寿命和下能级4113/2的寿命与YSGG的相近,但是Gd3Ga5012中Er3+ 激光上能级4111/2的寿命(0. 96ms)要比YAG中Er3+激光上能级4ln/2的寿命(0. 12ms) 长得多,下能级4Iw2的寿命(3.4ms)也比YAG中Er3+激光下能级4113/2的寿命
(7. 25ms)短,因此,相对于YAG, Gd3Ga5012 (GGG)晶体更适合于作为2. 6 3. 0 u m
波段的激光基质材料。
共掺Cr3+敏化离子不仅可以提高泵浦效率,还可以扩展晶体的可调谐激光波 段,同时共掺Ho3+敏化离子,可以减小Er3+激光下能级4l^的寿命,抑制Er3+离 子产生1. 54um激光的4113/2—4115/2跃迁,从而有利于2. 6 3. 0 u m波段激光的输 出,大大地提高了量子效率。目前国内已经有报道("Cr, Yb, Ho: YSGG激光晶 体在2.84 3.05um波长之间实现了连续可调的激光输出,德国专家A. Hogele 也报道了 Cr:Er:YSGG的激光实验,采用氙灯泵浦晶体,在2. 70um波段获得了 0.6J的激光输出,斜率效率为0.36%。但是,目前对于波长2.6 2.8um波段 和3. Oum波段的研究报道较少,特别是 2. 7 u m和3. Oum波段的激光光源。
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 Wml-、
2. 低的热光效应,丄.69 + Mi〕xH)-"c-';
3. 具有较低的声子能量;
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. 对于稀土掺杂离子,在相应的泵浦波长处具有较大的吸收截面,并具有 较大的发射截面;
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); 与YAG和YSGG晶体相比较,稀土激活的Gd3Ga必2晶体具有以下的一些优点
1. 采用提拉法生长的NchGd3GasO,2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。
2. 它的热容比YAG和YSGG高,是目前唯一可以应用于高功率热容激光 器的激光基质材料。
3. Gd3Gas(X2的声子能量较低(约为500 600cm—1),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,对于 3um波段激光具有 高的量子效率;
4. GGG晶体的熔点较低(约为1725°C ),比YAG和YSGG约低200°C ,有 利于晶体的生长;
5. 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;
6. 由于YSGG所用的Sc203价格较昂贵,成本较高,因此与YSGG相比较, GGG激光晶体的成本较低,并且热导率也比YSGG高。
Nd:Gd3Ga5012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。目前,在国际上,向美国利夫莫尔国家实验室提供晶体的公 司生长的晶体尺寸已经达到cHOO d) 150mm (1~4),在2003年,美国实验室采用 LD泵浦的Nd:Gd3Ga50,2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)80mm,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,GGG是一种优良的激光基质晶体,但是目前研究的重点主要是集中 在Nd激活的高功率热容激光晶体,对于其它激活离子掺杂的Gd3GaA2激光晶体 的研究较少,特别是对于03+*3+^3+掺杂的0(1^5012激光晶体的生长、光谱 和激光性能的研究,目前国内外都尚未有研究报道,而对于Cr3+:Er3+:Gd3Ga5012 晶体,国外只是报道相关的光谱特性,证明了在2.6um 3.0um波段有较强的 荧光发射,而未见有激光性能的研究报道。

发明内容
本发明的目的在于公开一种能够实现2. 6um 3. Oum波段激光输出的激光晶 体材料Cr: Er: Ho: Gd3Ga5012。 实现本发明目的技术方案
1. 一种共惨敏化离子的铒离子激活的钆镓石榴石新型激光晶体,该晶体材料的 化学式为Cr:Er:Ho:Gd3Ga5012。
2. —种项1的激光晶体材料的制备方法,其特征在于采用Gd203、 Ga203 、 Er203、 Cr203、化203作为原料,通过高温固相反应获得Cr:Er:Ho:Gd3Ga5(^原料,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2.6 3.0um波段激光输 出。
共掺Cr"敏化离子不仅可以提高泵浦效率,还可以扩展晶体的可调谐激光波 段,同时共掺H,敏化离子,可以减小Er3+激光下能级4l^的寿命,抑制Er"离 子产生1. 54um激光的4113/2—4115/2跃迁,从而有利于2. 6 3. 0" m波段激光的输 出,大大地提高了量子效率。Gd3GaA2是一种优秀的激光基质材料,Cr3+:Er3 + :6(1^35012晶体,已有实验证明了在2.6um 3.0um波段有较强的荧光发射,因 此Cr3+:Er3+:Ho3+: Gd3Ga5012可以实现2. 6um 3. 0 u m波段激光输出。


附图为激光实验装置。
具体实施方式
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实施例一Cr:Er:Ho: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。55mmX30mm的铱坩埚,所用的原料是4N级的Gd203、 Ga203 、 Er203、
Cr203、 Ho203。根据下列化学反应式配制原料-
(3_x—y)Gd203 + 5Ga203 + x Er203 + y Ho203 -2 Gd(3_x—y)ErxHoyGa5012
x = 15at% 50at%; y = 0. 5at% 5at%; Cr203的重量是原料总重量的0. 5wt%
3wt%。把原料混合均匀,压成片状,置于铂坩埚中,以150°(:/11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①55nimX30inm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Y3A15012 (YAG)做为籽晶生长出GGG晶体,再以GGG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 1.5mm/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 mm的透明晶体。 实施例二 Cr: Er: Ho: Gd3Ga5012晶体的激光实验
加工出尺寸为4>5mmX (30mm 50鹏)的优质Cr:Er:Ho:Gd3Ga5012晶体器件,
采用氙灯作为泵浦源,进行激光实验。实验装置如附图所示。图中1是棒状 Cr:Er:Ho:Gd3Ga5(^晶体;2是氙灯泵浦源;3是对A =2. 6 3. 0 y m波段中某个 特定波长全反射的介质镜;4是对入=2. 6 3. 0 u m波段中某个特定波长部分透 射的介质镜;5是LPE-1A激光能量计。
权利要求
1. 一种共掺敏化离子的铒离子激活的钆镓石榴石新型激光晶体,其特征在于该晶体材料的化学式为Cr:Er:Ho: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Gd203、Ga203 、 Er203、 Cr203、化203作为原料,通过高温固相反应获得Cr :Er :Ho:Gd3Gas0i2原料, 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2. 6 3. Oum波段激光输出。
全文摘要
一种共掺敏化离子的铒离子激活的钆镓石榴石新型激光晶体,涉及激光晶体材料领域。该晶体材料的化学式为Cr:Er:Ho:Gd<sub>3</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>。采用Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Ho<sub>2</sub>O<sub>3</sub>作为原料,通过高温固相反应获得Cr:Er:Ho:Gd<sub>3</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>原料,采用提拉法生长晶体。该材料用于实现2.6~3.0μm波段激光输出。
文档编号C30B15/00GK101378174SQ20071000944
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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