专利名称：一种镨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：
可见光波段的激光被广泛应用于医学治疗(如皮肤病、眼病等)，显示、照明、气体 探测等领域。近年来，在一块晶体上同时泵浦产生多种颜色的激光尤其引起研究人员的兴 趣，人们围绕如何提高多色激光器的输出功率和效率，从材料到器件的多方位研究。与其他稀土离子相比，ft"3+离子具有非常丰富的跃迁渠道，覆盖区域非常宽，从紫 外直到中红外波段，例如％ — 3F2跃迁可产生红光发射,3Ptl — 3H6跃迁可产生黄、橙色光发 射，3Ptl — 3H5跃迁可产生绿光发射。当把ft·3+掺入合适的晶体基质中并采用合适的泵浦源 激发，可在同一块晶体上实现可见光激光输出，那么将大大地拓宽激光的应用范围，具有诱 人的市场前景。根据文献调研，已有ft"离子掺杂的不同激光基质晶体上实现了红、黄、绿等可见 光波段的激光。例如2004年南京大学J. Liao报道通过LD泵浦Nd: YV04晶体，在单极化 Pr :LiTa03 (APPLT)晶体上实现了红、黄、绿、蓝四色激光输出，中心波长分别位于671，593， 532和447nm，输出功率分别为18. 7，1. 6，1. 1和0. 6mW。日本大阪大学Y. Fujimoto等报道采 用440nm GaN半导体泵浦ft·PAYAC玻璃光纤实现了多色激光输出，激光输出波长位于488， 523,605 和 635nm，在 635 和 605nm 的斜率效率分别为 10%和 18%。2007 年 F. Cornacchia 等在《OpticsExpress》上报道采用480nm半导体激光泵浦ft~:LiLuF4晶体，室温下实现了 522. 8nm，607. 25nm，640. 17nm禾口 721. 5nm的激光输出。另外，也有类似的在Pr = LiYF4晶体 上实现红、绿、橙、近红外激光输出的报道。钆镓石榴石Gd3Gii5O12 (GGG)晶体属于立方晶系，空间群Oh1Ma3d，晶胞参数 α= 12.38A，Z = 8。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=SWnr1IT1 ；2.低的热光效应冬=U -69 +Χ 10 一5 0C “1 ；
Cll yA y3.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Gd3Ga5O12晶体具有以下的一些优点1.采用提拉法生长的GGG晶体，容易实现平界面生长，不会产生由杂质、应力等引
3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. GGG的声子能量较低(约为500 eOOcnT1)，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 2 μ m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^2O3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:GGG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Φ100 ΦΙδΟπιπ/1 4)，在2003年，美国实验室采用LD泵浦的Nd:GGG激光器激光输出 的平均功率突破了 10KW，在2004年则达到了 30KW，2009年已达到100KW。在国内，中科院 安徽光学精密机械研究所、山东大学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Φ 120mm，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，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Gc^a5O12激光晶体的研究较少，特别 是对于Pr3+掺杂的Gd3Ga5O12激光晶体的生长、光谱性能的研究，目前国内外都尚未有研究 报道，更未见有激光输出的研究报道。我们采取提拉法生长了 ft"离子掺杂的GGG晶体，并 测试其稀土离子掺杂浓度、吸收光谱、荧光光谱以及荧光衰减曲线等，得到ft·离子在GGG 晶体中的分凝系数为0. 64，该晶体在450nm和590nm处具有强烈的吸收，非常适合GaN LD 泵浦或氙灯泵浦。并采取J-O理论对吸收光谱进行了计算，得到JO强度参数为Ω2 = 0. 76X KT20Cm2，Ω 4 = 4. 84Χ l(T20cm2 and Ω6 = 1. 02X IO-20Cm2o 我们测试 450nm禾口 590nm 泵浦下的室温荧光光谱，发现有七个荧光峰，峰值波长分别为487，531，561，617，658，712， 740nm，其中峰值波长为617nm和658nm的两个荧光峰强度最大，分别对应— 3H6和 3P0 — 3F2跃迁，采用F-L方程计算其发射截面分别为2. 62 X IO-21Cm2和3. 27 X 10_2°Cm2，采用 590nm泵浦在607nm处实现最强的荧光发射，对应1D2 — 3H4能级跃迁，计算得到其发射截面 为2. 52X10_2°cm2，量子效率92.5%。综合研究实验结果表明Pr:GGG是一种非常有前途的 有可能实现红、绿、橙三色激光输出的激光晶体材料。
发明内容
本发明的目的在于公开一种能够实现红、绿、橙三色激光输出的激光晶体材料 Pr = Gd3Ga5O120实现本发明目的技术方案1. 一种镨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 Pr = Gd3Ga5O1202. 一种项1的激光晶体材料的制备方法，其特征在于采用4N的Gd203、Gii203、Pr203作为原料，通过高温固相反应获得押:6(13(^5012原料，采用提拉法生长晶体。3. 一种项1的激光晶体材料的用途，该材料用于实现红色、绿色、橙色三色激光输
出ο
图1.为激光实验装置。图2 为ft~:GGG晶体在450nm泵浦下的48(T780nm之间的荧光光谱，从图中可以 看出共有七个荧光峰，峰值波长分别为487，531，561，617，658，712，740nm,该晶体在红光、 绿光和橙色光波段均有较强的荧光峰。
具体实施例方式实施例一 =Pr = Gd3Gii5O12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-他的热电偶和型号为815EPC的欧路表控温。所采用的坩埚 是Φ 55mmX 30mm的铱坩埚，所用的原料是4N级的Gd2O3、Gii2O3、Pr2O3。根据下列化学反应式 配制原料 (3-x) Gd203+5Ga203+xPr203 — 2Gd(3_x) PrxGa5O12x = 0. 05at% 5at % ；把原料混合均勻，压成片状，放进钼坩埚，置入普通烧结 炉中，以150°C /h缓慢升温到1080°C，保持48h，重复此过程，然后放入高温烧结炉中在 1350°C下恒温烧结72h，取出多晶料，直至X射线粉末衍射与标准卡片完全相符为止。把原料装入Φ55πιπιΧ30πιπι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，使得炉子内的气压达到一 0. OlMPa，再充入高纯氮气使得气压达到0. 04MPa，然后 升温到比熔点高50°C的温度，恒温1小时，使得原料熔化完全。以[111]方向的GGG晶体 作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. 0 1. 5mm/h,降温 速率为1 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，以 8 25°C /h的速率降至室温，得到尺寸为Φ20πιπιΧ20πιπι的透明晶体。实施例二 Pr Gd3Ga5O12晶体的激光实验加工出尺寸为Φ 5mmX (10mm 15mm)的优质1^:6(13&ι5012晶体器件，采用GaN激 光二极管作为泵浦源，进行激光实验。实验装置如附图1所示。图中1是棒状Pr = Gd3Ga5O12 晶体；2是GaN泵浦源；3是对λ = 480 780nm波段中某个特定波长全反射的介质镜；4 是对λ = 480 780nm波段中某个特定波长部分透射的介质镜；5是LPE-IA激光能量计。
权利要求
1.一种镨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 Pr = Gd3Ga5O120
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4N的Gd203、Ga2O3^ Pr2O3作为原料，通过高温固相反应获得ft~:Gd3(}a5012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红、绿、橙三 色激光输出。
全文摘要
一种镨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Pr:Gd3Ga5O12。采用4N的Gd2O3、Ga2O3、Pr2O3作为原料，通过高温固相反应获得Pr:Gd3Ga5O12原料，采用提拉法生长晶体。该材料用于实现红、绿、橙三色激光输出。
文档编号C30B29/28GK102134748SQ201010044858
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者朱昭捷, 李坚富, 涂朝阳, 游振宇, 王燕 申请人:中国科学院福建物质结构研究所