专利名称：掺铥硅酸钆激光晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及激光晶体，特别是一种掺铥硅酸钆激光晶体及其制备方法。本发明所 述的掺铥硅酸钆激光晶体可应用于宽带可调谐激光技术领域。
背景技术：
由于铥离子在790nm附近的吸收与商用激光二极管匹配良好、交叉弛豫量子效率 接近于2以及在2 μ m附近具有宽调谐范围的特性，掺铥固体激光器是近年来2 μ m激光器 研究的重点方向之一。硅酸钆晶体(Gd2SiO5)属于单斜晶系，具有优异的光学和物化性能，其独特的低对 称晶体结构和稀土离子扭曲的双格位特性为Tm3+离子提供了较强的晶体场和配位场，有利 于Tm3+离子产生大的Stark能级分裂，是实现低阈值高功率和宽调谐的性能优良的2 μ m波 段激光的理想基质。但未见Tm3+离子掺杂的Gd2SiO5晶体的有关报道。
发明内容
本发明的目的在于突破现有激光基质晶体的局限，提供一种掺铥硅酸钆激光晶体 及其制备方法，它是一种能够采用商用激光二极管泵浦，可实现2 μ m波段调谐激光输出的 激光材料。硅酸钆晶体(Gd2SiO5,以下简称为GS0)属于低对称单斜晶系(空间群P2/C)，其 中Gd3+存在两种不等效而比例相同的、配位数分别为7和9的低对称格位，晶体无序度高， 具有较强的晶体场。本发明的掺铥硅酸钆激光晶体(Tm2xGd2(1_x)Si05，简称为Tm:GS0)，当掺 入Tm3+时，Tm3+取代Gd3+格位。在强烈的晶体场作用下，Tm3+离子的吸收和发射谱线都比 较宽，这有利于提高激光二极管的泵浦效率和实现宽波长调谐的激光输出。在Tm3+离子掺 杂浓度为3%时，Tm:GSO晶体在791nm处的吸收峰半高宽达13nm，可与790nm商用激光二 极管有效耦合。本发明的具体实施方案如下—种掺铥硅酸钆激光晶体，其特点在于该晶体的分子式为Tm2xGd2(1_x)Si05，其中χ 的取值范围为0. 005 0. 03。所述的掺铥硅酸钆激光晶体的制备方法，该方法包括下列步骤①原料配方初始原料采用Tm2O3, Gd2O3和SiO2，原料按摩尔比等于χ (l-χ) 1进行配料， 其中X的取值范围为0. 005-0. 03 ；②选定χ的具体值后，称取所有原料，充分混合均勻后在液压机上压制成块，然后 装入氧化铝坩埚内，放进马弗炉中烧结，用10个小时升温至1200°C，保温10个小时后再用 10个小时降温至室温；③将烧好的块料装进坩埚内，采用熔体法生长Tm2xGd2(1_x)Si05单晶。所述的熔体法为提拉法，坩埚材料为铱金，采用b轴的硅酸钆晶体作籽晶进行生长，Tm:GS0晶体的生长气氛是高纯队，提拉速度为l-3mm/h，转速为15_30rpm。晶体经过下 种、缩颈、放肩、等径、收尾，降温等程序后，生长结束。所述的熔体法为坩埚下降法，坩埚材料采用高纯石墨，坩埚底部不放籽晶，或放入 b轴的硅酸钆单晶作籽晶，晶体生长在高纯N2气氛中进行，坩埚下降速率为0. 1-1. 5mm/h。所述的熔体法为温度梯度法，坩埚材料采用高纯石墨，坩埚底部不放籽晶，或放入 b轴的硅酸钆单晶作籽晶，晶体生长在高纯N2气氛中进行，晶体生长速度在1-2. 5mm/h的降 温速率进行降温并生长晶体。本发明和以前技术相比，并经实验表明，本发明的Tm:GS0晶体具有较强的晶体场 强度、吸收和发射光谱宽、晶体热力学性能好、容易生长等优点，可实现2 μ m波段低阈值高 效率的激光输出。该激光材料可广泛应用于激光二极管泵浦的中红外固体激光器领域中， 在人眼安全相干探测与非线性频率转换方面具有广阔的应用前景。
图1为3% TmiGSO激光晶体的吸收和发射光谱；图2为3% Tm:GS0激光晶体的发射增益曲线；
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。实施例1. 将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 03称量。混合均勻后在液压机上压制 成块，放于铱坩埚内。采用b轴的GSO晶体籽晶进行提拉法生长，Tm:GSO晶体的生长气氛为 高纯N2气体，晶体提拉速度为lmm/h，旋转速度为30rpm。晶体经过下种、缩颈、放肩、等径、 收尾，降温等程序后，生长结束。将上述生长的Tm2xGd2(1_x)Si05晶体，切割成片，光学抛光后，在室温下测试其光谱 性能，采用Lambda 900分光光度计测试吸收光谱。采用Mkon G250荧光光谱仪测试红外 发射光谱，泵浦源采用波长为790nm的AlGaAs激光二极管。图1为3% Tm:GS0晶体的吸收 和发射光谱。Tm:GS0晶体在791nm处的吸收峰半高宽达13nm，可与790nm商用激光二极管 有效耦合。从发射谱上看，Tm:GS0在2μπι附近的峰值发射截面达0.51X10_2°Cm2，发射峰 半高宽为242nm，非常有利于实现宽调谐2 μ m激光的输出。这一点可以从Tm:GS0晶体的 增益曲线上得到更好的说明，如图2所示，Tm:GS0的增益曲线呈现平坦宽峰，当离子数反转 率ρ = 0. 5时，增益截面从1738nm到2200nm区域呈现正值，即在此范围内均可能产生激光 输出，满足宽调谐激光的需要。此外，室温下测得3% Tm:GS0晶体2 μ m激光上能级寿命为 1. 38ms,与报道的其他掺Tm3+激光基质处于同一数量级，可有效储能，实现激光输出。实施例2.将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 01称量。混合均勻后在液压机上压制 成块，放于铱坩埚内。采用b轴的GSO晶体籽晶进行提拉法生长，Tm:GS0晶体的生长气氛 为高纯N2气体，晶体提拉速度为1. 8mm/h，旋转速度为20rpm。实施例3.将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 005称量。混合均勻后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内。采用b轴的GSO晶体籽晶进行提拉法生长，Tm:GS0晶体的生长气 氛为高纯N2气体，晶体提拉速度为3mm/h，旋转速度为15rpm。实施例4.将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 03称量。混合均勻后在液压机上压制 成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部无籽晶。采用坩埚下降法，在高纯N2气氛中生长晶体。坩 埚下降速率为0. lmm/h。实施例5.将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 01称量。混合均勻后在液压机上压制 成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部放有b轴的GSO晶体籽晶。采用坩埚下降法，在高纯N2气 氛中生长晶体。坩埚下降速率为0.6mm/h。实施例6.将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 005称量。混合均勻后在液压机上压 制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部放有b轴的GSO晶体籽晶。采用坩埚下降法，在高纯N2 气氛中生长晶体。坩埚下降速率为lmm/h。实施例7.将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 03称量。混合均勻后在液压机上压制 成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法，在高纯N2气氛中生长晶体。以 使得晶体生长速度在lmm/h的降温速率进行降温并生长晶体。实施例8.将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 01称量。混合均勻后在液压机上压制 成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部放有b轴的GSO晶体籽晶。采用温度梯度法，在高纯N2气 氛中生长晶体。以使得晶体生长速度在1. 5mm/h的降温速率进行降温并生长晶体。实施例9.将Tm2O3，Gd2O3和SiO2高纯原料按照χ = 0. 005称量。混合均勻后在液压机上压 制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部放有b轴的GSO晶体籽晶。采用温度梯度法，在高纯N2 气氛中生长晶体。以使得晶体生长速度在1. 8mm/h的降温速率进行降温并生长晶体。上述实施例经实验测试与实施例1得到的实验结果类似。实验表明，本发明的 Tm:GS0晶体具有较强的晶体场强度、吸收和发射光谱宽、晶体热力学性能好、容易生长等优 点，可实现2 μ m波段低阈值高效率的激光输出。该激光材料可广泛应用于激光二极管泵浦 的中红外固体激光器领域中，在人眼安全相干探测与非线性频率转换方面具有广阔的应用 前景。
权利要求
一种掺铥硅酸钆激光晶体，其特征在于该晶体的分子式为Tm2xGd2(1 x)SiO5，其中x的取值范围为0.005～0.03。
2.权利要求1所述的掺铥硅酸钆激光晶体的制备方法，特征在于该方法包括下列步骤①原料配方初始原料采用Tm2O3，Gd2O3和SiO2，原料按摩尔比等于χ (1-x) 1进行配料，其中χ 的取值范围为0. 005-0. 03 ；②选定χ的具体值后，称取所有原料，充分混合均勻后在液压机上压制成块，然后装入 氧化铝坩埚内，放进马弗炉中烧结，用10个小时升温至1200°C，保温10个小时后再用10个 小时降温至室温；③将烧好的块料装进坩埚内，采用熔体法生长Tm2xGd2(1_x)Si05单晶。
3.根据权利要求2所述的掺铥硅酸钆激光晶体的制备方法，特征在于所述的熔体法为 提拉法，坩埚材料为铱金，采用b轴的硅酸钆晶体作籽晶进行生长，Tm:GS0晶体的生长气氛 是高纯N2，提拉速度为l-3mm/h，转速为15-30rpm。晶体经过下种、缩颈、放肩、等径、收尾， 降温等程序后，生长结束。
4.根据权利要求2所述的掺铥硅酸钆激光晶体的制备方法，特征在于所述的熔体法 为坩埚下降法，坩埚材料采用高纯石墨，坩埚底部不放籽晶，或放入b轴的硅酸钆单晶作籽 晶，晶体生长在高纯N2气氛中进行，坩埚下降速率为0. 1-1. 5mm/h。
5.根据权利要求2所述的掺铥硅酸钆激光晶体的制备方法，特征在于所述的熔体法 为温度梯度法，坩埚材料采用高纯石墨，坩埚底部不放籽晶，或放入b轴的硅酸钆单晶作籽 晶，晶体生长在高纯N2气氛中进行，晶体生长速度在1-2. 5mm/h的降温速率进行降温并生 长晶体。
全文摘要
一种掺铥硅酸钆激光晶体及其制备方法，该掺铥硅酸钆激光晶体的分子式为Tm2xGd2(1-x)SiO5，其中x的取值范围为0.005～0.03。该单晶采用熔体法生长。本发明的掺铥硅酸钆激光晶体具有较强的晶体场强度、吸收和发射光谱宽、晶体热力学性能好、容易生长等优点，可实现2μm波段低阈值高效率的激光输出。
文档编号C30B15/00GK101899711SQ20101021081
公开日2010年12月1日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者丁雨憧, 董勤, 赵广军, 陈建玉 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所