专利名称：一种共掺铬、镱敏化离子的钬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. 1 μ m激光波段覆盖了水的吸收峰O. 7 μ m附近)，因此对组织的穿透深度 浅，且对人体安全，另外可用光纤传输，因此成为医疗上一种很好的外科手术光源。另外，该 波段固体激光器在遥感、环境保护和光通信等方面也有着重要的研究前景，是激光测距仪、 相干多普勒测风雷达、水蒸气抛面差分吸收激光雷达系统等的理想光源。同时，它还是获得 中远红外波段光学参量振荡器的理想抽运源。因此从20世纪60年代开始，人们围绕如何 提高2. 6 3. 1 μ m波段激光器的输出功率和效率，从材料到器件的多方位研究。除此之外， 2. 6 3. 1 μ m波段激光在工农业和国民经济建设上也有着广泛的应用前景，一旦研制成功， 把所研究的晶体及其器件推向高新技术产业市场，将产生非常可观的经济效益；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。Ho3+离子5I7 — 5I8跃迁可产生2. 6^3. 1 μ m波段的激光。根据文献调研，已有Ho3+ 离子激活的激光晶体上实现了该波段荧光，例如Ho:YAG，Ho:YAP, Ho:YLF等。如果在Ho3+ 离子激活的激光晶体上共掺入Cr3+和将大大增加泵浦源对光的吸收效率，从而有利于 提高激光的输出功效。山东大学袁多荣报道采取灯泵方式在Cr，Yb, HoiYSGG晶体上实现 了 2. 84^3. 05um波段可调谐激光输出，激光器最大输出功率约为30mJ，输出反射镜的反射 率为60%，振荡波长为2. 856，2. 892，2. 940和2. 988微米。钆镓石榴石Gd3Gii5O12 (GGG)晶体属于立方晶系，空间群Oh1Ma3d，晶胞参数 α= 12.38λ,Ζ = 80 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jWn^r1 ；2.低的热光效应备=fl .69 + Χ 10 “5 0C 一1 ；
Ul\A )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 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 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 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年已经实现100KW。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Gd3Ga5O12激光晶体的研究较少，特 别是对于Cr3+:%3+:Ho3+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，更未见有激光性能的研究报道。我们采用提拉法生长了尺寸达到40mm的 Cr3+:%3+:H03+掺杂的Gc^a5O12晶体，测试其稀土离子的掺杂浓度，计算其分凝系数。并测试 了晶体样品的吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线，发现该晶体在450nm和654nm附近存在 强烈的吸收，非常适合氙灯泵浦；采用氙灯泵浦发现该晶体在^KKT3100nm之间有五个荧 光峰，峰值波长分别位于沈40，2700，2820, 2860和四20歷，荧光寿命达到毫秒量级。综合研 究结果表明=Cr3+Ib3+ = Ho3+ = Gd3Gii5O12晶体是一种优秀的能实现2. 6 μ m 3. 1 μ m波段激光 输出的中红外激光晶体材料。
发明内容
本发明的目的在于公开一种能够实现2. 6 μ m 3. 1 μ m波段激光输出的激光晶体 材料 Cr:Yb:Ho = Gd3Gii5O12。实现本发明目的技术方案1. 一种共掺铬、镱敏化离子的钬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 CrYb:Ho:Gd3(ki5012。2. 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、Ga2O3^ Cr2O3、Yb2O3、Ho2O3作为原料，通过高温固相反应获得Cr:%:Ho:Gd3fei5012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2. 6 3. 1 μ m波段激光输
出ο
图1.为激光实验装置。图2 为Cr:Yb:Ho:Gd3Ga5012晶体在氙灯泵浦下的2. 5^3. 1 μ m波段的荧光光谱，五 个荧光峰分别位于2. 64，2. 7，2，82，2. 86和2. 92 μ m。
具体实施例方式实施例一 Cr Yb Ho Gd3Ga5O12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Φ55πιπιΧ30πιπι的铱坩埚，所用的原料是4Ν级的Gd203、Ga203> Cr2O3> Yb2O3> Ho2O30根据下 列化学反应式配制原料(3-y-z) Gd2O3+ (5_x) Ggi203+xCr203+yYb203+zHo203 — 2Gd (3_y_z) YbyHozGa (5_x) CrxO12x = 0. 1 5at% ;y = 1 15at% ；ζ = 0. 1 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-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. 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，以10 300C /h的速率降至室温，得到尺寸为Φ20πιπιΧ40πιπι的透明晶体。实施例二 Cr % Ho Gd3Ga5O12晶体的激光实验加工键合出尺寸为Φ5_Χ (60mm 80mm)的优质Cr Yb Ho Gd3Ga5O12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1所示。图中1是棒状 Cr:Yb:Ho:Gd3Ga5012晶体；2是氙灯泵浦源；3是对λ = 2. 6 3. 1 μ m波段中某个特定波长 全反射的介质镜；4是对λ = 2. 6 3. 1 μ m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
1.一种共掺铬、镱敏化离子的钬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 % Ho Gd2Ga5O12。
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5N的Gd203、Ga2O3^ Cr2O3、Yb2O3、Ho2O3作为原料，通过高温固相反应获得Cr:%:Ho:Gd3fei5012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. 1微 米波段的激光输出。
全文摘要
一种共掺铬、镱敏化离子的钬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:Yb:Ho:Gd3Ga5O12。采用4N的Gd2O3、Ga2O3、Cr2O3、Yb2O3、Ho2O3作为原料，通过高温固相反应获得Cr:Yb:Ho:Gd3Ga5O12原料，采用提拉法生长晶体。该材料用于实现2.6～3.1μm波段激光输出。
文档编号C30B29/28GK102134750SQ201010044860
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