一种2.9微米附近波长激光晶体及其制备方法

文档序号:8074335阅读:392来源:国知局
一种2.9微米附近波长激光晶体及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种2.9微米波长附近激光晶体及其制备方法,所述晶体分子式为Tm,Ho,Pr:LuxY3-xAG或Cr,Tm,Ho,Pr:LuxY3-xAG,在Tm,Ho,Pr:LuxY3-xAG中,Tm3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量传递给激活离子Ho3+;在Cr,Tm,Ho,Pr:LuxY3-xAG中,Cr3+将吸收的泵浦光能量首先传递给Tm3+,Tm3+再把能量传递给Ho3+,最后通过Ho3+离子5I6和5I7的两个能级间跃迁,可实现2.9微米附近波长激光。其中调节x的值,可获得2.911μm这一特殊波长激光输出,此波长对水不吸收,是大气的一个窗口,在检测、科研及军事等领域有着重要的应用。
【专利说明】—种2.9微米附近波长激光晶体及其制备方法
[0001]【技术领域】
本发明属于功能晶体材料领域,具体的说是一种2.9微米波长附近Tm3+单掺敏化Ho3+或Cr3+,Tm3+共掺敏化Ho3+及Pr3+退激活Ho3+的镥钇铝石榴石LuxY3_xAG激光晶体及其制备方法。
技术背景
[0002]LuxY3_xAG(LuxY3_xA15012)是由 YAG(Y3Al5O12)和 LuAG (Lu3Al5O12)组成的固溶体(参见 Y.Kuwano, et al, Crystal growth and properties of (Lu, Y)3A15012, J CrystalGrowth, 2004, 260:159),属立方晶系,其空间群为Ia3d,它不仅是一种优良的闪烁基质材料,也是一种优良的固体激光基质材料,该晶体具有很多优点。第一,LuxY3_xAG晶体和YAG和LuAG晶体在热力学及机械性能方面比较相似;第二,在这种稀土离子掺杂的混晶中,晶场无序度增加,可以加宽发射带,从而有利于产生超短路脉冲激光;第三,通过变化基质晶体LuxY3_xAG中X的值,可以调节晶格场,改变一些稀土激活离子的激光输出波长,获得新波长激光。
[0003]2.9 波段附近激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。目前掺Er3+激光在2.7-3 的激光已获得较为广泛的应用,由于Er3+的最外层电子数为奇数,受外晶场的影响相对较弱,对于特定的立方晶系基质,只能获得1-2个固定波长的激光,如Er: YSGG的2.79 Mm和Er: YAG的2.94 Mm波长,而且需高浓度Er3+掺杂。但是Ho3+离子的最外层电子数为偶数,不同对称性晶体场中的Stark能级数不同(参见卡明斯基,激光晶体,北京:科学出版社,1981:p67),受晶格场的影响相对较大,在不同基质中,受晶格场差异的影响,其荧光谱会产生一定的差别。在LuAG与YAG的混晶Ho:LuxY3_xAG中,晶场无序度增加,通过改变X的值,可以轻微调节晶格场,使晶体在2.911微米有较强的荧光,从而实现这一特殊的激光波长输出。由于此波长对`水不吸收,是大气的一个窄带窗口,在地面可以传输,因此在检测、科研及军事等领域有着重要的应用。
[0004]但在单掺Ho3+的激光材料中,由于Ho3+在闪光灯及目前发展成熟的半导体激光发射波段的吸收较弱,影响了泵浦效率。有文献报道使用NchYAlOJ^ 1.0SMffl激光,采用腔内泵浦的方式,研究了 HckYAIO3晶体在2.844-3.017 Mm波段激光的调谐性能(参见 W.S.Rabinovich, et al, Tunable laser pumped 3 U m Ho:YAlO3 Laser, IEEE JQuan.Elect., 1991,27:895.)0但是这种激光泵浦方式复杂,而且稳定性差,为了简化结构,提高泵浦效率,对Ho3+离子进行敏化很有必要。由于Tm3+能与InGaAs发射波长有效耦合,有较强吸收,并且Tm3+(3H4)的发射带和Ho3+(5I5)的吸收带有一定的重叠,使得Tm3+能对Ho3+进行敏化,将吸收的能量转移给Ho3+离子,可达到提高对泵浦光吸收效率和降低激光振荡阈值的目的。有文献对Tm,HoiLuAG(Lu3AI5O12)晶体在2.1微米的激光进行过报道(参见 N.P.Barnes, et al, Spectroscopic and laser properties ofHo:Tm:LuAG, Optics Letters, 1993, 18:708)。另外,用脉冲氣灯泵浦的 Cr, Tm 共掺敏化Ho的YAG晶体在2.1微米的激光已发展的较为成熟(参见L.Wang, et al, 520 mjIangasite electro-opticalIyQ-switched Cr,Tm,Ho:YAG laser, Optics Letters,2012, 37:1986),其中Cr3+— Tm3+— Ho3+有着较高的能量传递效率。
[0005]此外,Ho3+与Er3+ —样,其2.9 y m附近的中红外激光是两个激发态能级间的跃迁,激光下能级寿命较长,不利于粒子数反转,不仅阈值高而且对激光效率也有重要影响。采用特殊掺杂的退激活方法,可以使这一问题得到改善。如掺入适量与Ho3+的5I7激光下能级位置相接近的 Pr3+离子(参见 Single-frequency fiber laser operating at 2.9 Mm,Optics Letters, 2013, 38:2388),可加快下能级粒子抽空速率,降低下能级寿命,有利于减小激光阈值和提高激光转换效率。
[0006]据检索,目前国内外都还没有关于Tm,Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr,Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG激光晶体的研究报道。

【发明内容】

[0007]本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种能够在2.911 y m波长实现激光输出的Tm,Ho, Pr: LuxY3_xAG或Cr,Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG激光晶体及其制备方法。
[0008]本发明的技术解决方案为:
一种2.9微米附近波长激光晶体,其特征在于:所述晶体的分子式为Tm, Ho, Pr:LuxY3^xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3^xAG,所述 Ho3+ 作为激活离子,Cr3+, Tm3+ 作为 Ho3+的敏化离子,Pr3+作为Ho3+的退激活离子,可以降低激光下能级寿命,减小激光阈值,提高激光转换效率;所述LuxY3_xAG是镥钇铝石榴石LuxY3_xA15012的简写,其作为基质晶体,为激活离子提供一个晶格场;所述Tm,Ho, Pr:LuxY3-xAG中,Tm3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量传递给激活离子Ho3+ ;所述Cr,Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG中Cr3+将吸收的泵浦光能量首先传递给Tm3+,Tm3+再把能量传递给Ho3+,最后通过Ho3+离子5I6和5I7的两个能级间跃迁,实现2.9微米附近激光波长输出,改变其中基质晶体LuxY3_xAG中的X值(0〈 x〈3),可以调节晶格场,使晶体在2.911微米有较强的荧光,从而实现这一特殊的激光波长输出。
[0009]所述Cr3+是取代基质晶体LuxY3_xAG中的Al3+离子,最适宜的取代浓度范围为l-5at%,即 0.01< a〈0.05 ;所述 Tm3+、Ho3+ 和 Pr3+ 是取代基质晶体 LuxY3_xAG 中的 Lu3+ 离子,Tm3+的最适宜取代浓度范围为l_10at%,即0.01<b<0.1,Ho3+的取适宜取代浓度范围为
0.l-2at%,即 0.001〈c〈0.02,Pr3+的取适宜取代浓度范围为 0.01_lat%,即 0.000Kd<0.01。
[0010]所述Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG晶体适合785 nm附近半导体激光器泵浦,所述Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG晶体适合使用脉冲氙灯作为泵浦源。
[0011]一种2.9微米附近波长激光晶体的制备方法,包括以下步骤:
(1)固相法或液相法制备多晶原料 按照下列化学反应式:
3aCr203+3bTm203+3cHo203+dPr60n+ (x-3a-3b-3c_d) Lu2O3+ (3-x) Y2O3 +5Al203=2Cr3a; Tm3b,Ho3c,Pr3d:Lux_3a_3b_3c_3dY3_xAl5012+4d02 t,其中 a=0,即没有掺入 Cr3+离子,或者 a=0.01-0.05,b=0.01-0.1,c=0.001-0.02,d=0.0001-0.01,x=0_3 通过固相反应法或液相法制得Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 多晶原料;
(2)熔体法生长单晶
使用上述固相法或液相法制备的Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG或Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG多晶原料,再采用熔体法制备 Tm,Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr,Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 单晶。
[0012]所述固相法制备多晶原料的步骤为:将氧化物原料按化学反应式: 3aCr203+3bTm203+3cHo203+dPr60n+ (x-3a-3b-3c_d) Lu2O3+ (3-x) Y203+5A1203= 2Cr3a; Tm3
b, Ho3c, Pr3d:Lux_3a_3b_3e_3dY3_xAl5012+4d02 t,按照设定的 a, b, c, d, x 的分别称取某一固定值,将称取的各氧化物均匀混合并压块,在1250-1350°C空气条件下烧结24-48小时,可得到Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 多晶原料。
[0013]所述液相法制备多晶原料的步骤为:将氧化物原料按化学反应式:3aCr203+3bTm203+3cHo203+dPr60n+(x-3a-3b-3c-d) Lu2O3+(3-x) Y203+5A1203= 2Cr3a,Tm3b, Ho3c, Pr3d: Lux_3a_3b_3c_3dY3_xAl5012+4d02 f ,其中按照所述设定的a, b, c, d, x分别称取某一固定值,将称取的各氧化物分别用HNO3溶解后均匀混合,用液相共沉淀的方法将混合溶液与氨水共滴定,保持PH值在11.5-12.5,经共沉淀后的混合液,用离心机离心得到凝胶状前驱物,经洗涤,烘干,最后在 900-1100°C烧结 10-14 小时,即可获得 Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG 多晶原料。
[0014]所述熔体法生长单晶的方法为:将所述固相法或液相法制备的500-600克Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr,Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 多晶原料装入直径 60_70mm 的铱坩埚中,将铱坩埚放入激光晶体提拉炉中,炉膛抽真空l_5Pa后充入氮气作为保护气体,用LuAG单晶做生长籽晶,籽晶转速为5-10转/分钟,生长拉速l-2mm/小时,使用感应加热法将原料熔化,原料熔化后再过热8-12小时,经过下种,放肩,等径,提晶,降温等过程,最后获得直径25-30mm 等径长度 80-1 OOmm 的 Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 单晶。
[0015]本发明的原理为:Tm3+单掺敏化或Cr3+,Tm3+共掺敏化Ho3+及Pr3+退激活Ho3+的镥钇铝(LuxY3_xAG)激光晶 体,晶体结构属于立方晶系,分子式为Tm,Ho,Pr: LuxY3_xAG或Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG,Tm3+、Ho3+ 和 Pr3+ 取代 Lu3+ 的位置,Cr3+ 取代 Al3+ 的位置。其中 Cr3+的最适宜取代浓度范围为l_5at%,Tm3+的最适宜取代浓度范围为l_10at%,Ho3+的最适宜取代浓度范围为0.l-2at%,Pr3+的最适宜取代浓度范围为0.01_lat%。在Tm,Ho, Pr:LuxY3_xAG中,Tm3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量传递给激活离子Ho3+,在Cr,Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG中,Cr3+将吸收的泵浦光能量首先传递给Tm3+,Tm3+再把能量传递给Ho3+,最后通过Ho3+离子5I6和5I7的两个能级间跃迁,激光波段范围在2.9 y m附近,Pr3+的能级3F2与Ho3+的激光下能级5I7很接近,能过共振能量转移,可以抽空5I7能级的部分粒子数,从而达到降低下能级寿命,减小激光阈值,提高激光转换效率的目的。因此,Tm,Ho,Pr:LuxY3_xAG或Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG晶体有望分别成为适合LD泵浦和脉冲氙灯泵浦的新型激光晶体。此外,由于Ho3+离子的最外层电子数为偶数,受晶格场的影响相对较大,因此掺入不同基质,其荧光谱有一定的差别,在Ho:LuxY3_xAG混晶中,晶体无序度增加,通过改变X的值,可以轻微调节晶格场,使晶体在2.911微米有较强的荧光,从而实现这一特殊的激光波长输出。由于此波长对水不吸收,是大气的一个窗口,在地面可以传输,因此在检测、科研及军事等领域有着重要的应用。
[0016]本发明与现有技术相比的优点在于:
(I)在单掺Ho3+的激光材料中,由于Ho3+在闪光灯及目前发展成熟的半导体激光发射波段的吸收较弱,泵浦效率非常低。有文献报道使用NchYAlO3的1.0SMffl激光,采用腔内泵浦的方式,研究了 HckYAIO3晶体在2.844-3.017 波段激光的调谐性能。但是这种激光泵浦方式复杂,而且稳定性差。采用Tm3+单掺敏化或Cr3+,Tm3+双掺Ho3+的晶体,可以使晶体适合目前发展比较成熟的半导体激光或脉冲氙灯泵浦,能简化结构,提高泵浦效率;
(2)5I7作为Ho3+的2.9微米激光下能级,其寿命较长,不利于粒子数反转,因此激光阈值较高,激光效率也受到了影响,Pr3+是作为Ho3+的退激活离子,可减小激光下能级寿命和激光阈值,提高激光转换效率;
(3)通过改变基质晶体LuxY3_xAG中X的值,可以轻微调节晶格场,使晶体在2.911微米有较强的荧光,从而实现这一特殊的激光波长输出。此波长对水不吸收,是大气的一个窄带窗口,在检测、科研及军事等领域有着重要的应用。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1为采用半导体激光器作为泵浦源实现本发明Tm,Ho, Pr: Lu2.4Y0.6AG晶体激光输出的一种实验装置图。
[0018]图2为采用闪光灯作为泵浦源实现本发明Cr,Tm, Ho, Pr: Lu2.4Y0.6AG晶体激光输出的一种实验装置图。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
生长Tm3+的取代浓度为5at%,Ho3+取代浓度为0.5at%, Pr3+取代浓度为0.lat%的Tm, Ho, Pr: Lu2 4Y0.6AG 晶体,
Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG晶体是指Tm3+的取代浓度在l_10at%之间,Ho3+离子的取代浓度在
0.1-2 at%之间,Pr3+取代浓度为0.01-lat%之间。本实施例中Tm3+的取代浓度为5at%,Ho3+取代浓度为0.5 at%, Pr3+取代浓度为0.lat%。
[0020]将氧化物原料按化学反应式:
3bTm203+3cHo203+dPr60n+ (x-3b-3c_d) Lu2O3+ (3-x) Y2O3 +5Al203=2Tm3b, Ho3c, Pr3d: Lux_3b-3c-3J3-xAl5012+4d02 f 称取,其中 b=0.05,c=0.005,d=0.001,x=2.4,均匀混合并压块,使用固相法在1250°C烧结48小时,可得到Tm, Ho,Pr:Lu2.4Y0.6AG多晶原料。把500克Tm, Ho, Pr:Lu2.Ja6AG多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中,铱坩埚放入激光晶体提拉炉中,炉膛抽真空(l_5Pa)后充入氮气作为保护气体,用LuYAG单晶做生长籽晶,籽晶转速为5-10转/分钟,生长拉速l-2mm/小时,使用感应加热法将原料熔化,原料熔化后再过热10小时,经过下种,放肩,等径,提晶,降温等过程,最后获得直径25mm等径长度IOOmm的Tm, Ho, Pr: Lu2.4Y0.6AG单晶。通过测量晶体的吸收光谱,发现晶体在785nm有宽的吸收带,用785nm半导体激光器激发得到了 2.8-3 u m的荧光谱,晶体在2.91 IMm附近有较强的荧光,初步表明该晶体可以用LD泵浦实现2.911 y m这一特殊的激光波长输出。
[0021]实施例2
生长Tm3+的取代浓度为10at%,Ho3+取代浓度为lat%,Pr3+取代浓度为0.2at%的Tm, Ho, Pr:Lu2 4Y0.6AG 晶体。
[0022]Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG晶体是指Tm3+的取代浓度在l_10at%之间,Ho3+离子的取代浓度在0.1-2 at%之间,Pr3+离子的取代浓度为0.01_lat%之间。本实施例中Tm3+的取代浓度为10at%,Ho3+取代浓度为I at%,Pr3+取代浓度为0.2at%。[0023]将氧化物原料按化学反应式:
3bTm203+3cHo203+dPr60n+ (x-3b-3c_d) Lu2O3+ (3-x) Y2O3 +5Al203=2Tm3b, Ho3c, Pr3d: Lux-3b-3c-3J3-xAl5012+4d02 f 称取,其中 b=0.1, c=0.01,d=0.002,x=2.4,均匀混合并压块,使用固相法在1250°C烧结48小时,可得到Tm, Ho,Pr:Lu2.4Y0.6AG多晶原料。把500克Tm, Ho, Pr:Lu2.Ja6AG多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中,铱坩埚放入激光晶体提拉炉中,炉膛抽真空(l_5Pa)后充入氮气作为保护气体,用LuYAG单晶做生长籽晶,籽晶转速为5-10转/分钟,生长拉速l-2mm/小时,使用感应加热法将原料熔化,原料熔化后再过热10小时,经过下种,放肩,等径,提晶,降温等过程,最后获得直径25mm等径长度IOOmm的Tm, Ho, Pr: Lu2.4Y0.6AG单晶。通过测量晶体的吸收光谱,发现晶体在785nm有宽的吸收带,用785nm半导体激光器激发得到了 2.8-3 u m的荧光谱,晶体在2.91 IMm附近有较强的荧光,初步表明该晶体可以用LD泵浦实现2.911 y m这一特殊波长的激光输出。[0024]实施例3
生长Cr3+的取代浓度为2 at%, Tm3+的取代浓度为5at%,Ho3+的取代浓度为0.5at%,Pr3+ 的取代浓度为 0.lat% 的 Tm,Ho, Pr: Lu2.4Y0.6AG 晶体。
[0025]Cr, Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG晶体是指Cr3+的浓度在1-5 at%, Tm3+的取代浓度在l-10at%之间,Ho3+离子的取代浓度在0.1-2 at%之间,Pr3+的取代浓度为0.01_lat%之间。本实施例中Cr3+的取代浓度在2 at%, Tm3+的取代浓度为5at%,Ho3+的取代浓度为0.5at%, Pr3+的取代浓度为0.lat%。
[0026]将氧化物原料按化学反应式:
3aCr203+3bTm203+3cHo203+dPr60n+ (x-3a-3b-3c_d) Lu2O3+ (3-x) Y203+5A1203= 2Cr3
a,Tm3b, Ho3c, Pr3d:Lux_3a_3b_3c_3dY3_xAl5012+4d02 t 称取,其中 a=0.02,b=0.05, c=0.005,d=0.001, x=2.4,均匀混合并压块,使用固相法在1250 V烧结48小时,可得到Cr, Tm, Ho, Pr:Lu2.4YQ.6AG 多晶原料。把 500 克 Cr, Tm, Ho, Pr:Lu2.4YQ.6AG 多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中,铱坩埚放入激光晶体提拉炉中,炉膛抽真空(l_5Pa)后充入氮气作为保护气体,用LuYAG单晶做生长籽晶,籽晶转速为5-10转/分钟,生长拉速l-2mm/小时,使用感应加热法将原料熔化,原料熔化后再过热10小时,经过下种,放肩,等径,提晶,降温等过程,最后获得直径25mm等径长度IOOmm的Cr,Tm, Ho, Pr = Lu2.Ja6AG单晶。通过测量晶体的吸收光谱,发现晶体在785nm有宽的吸收带,用785nm半导体激光器激发得到了 2.8-3 y m的荧光谱,晶体在2.QllMffl附近有较强的荧光,初步表明该晶体可以用LD泵浦实现2.911 y m这一特殊波长的激光输出。
[0027]实施例4
生长Cr3+的取代浓度为4 at%, Tm3+的取代浓度为10at%,Ho3+的取代浓度为lat%,Pr3+离子的取代浓度为0.2at%的Tm,Ho, Pr:Lu2.4Y0.6AG晶体。
[0028]Cr, Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG晶体是指Cr3+的取代浓度在1-5 at%, Tm3+的取代浓度在l-10at%之间,Ho3+离子的取代浓度在0.1-2 at%之间,Pr3+离子的取代浓度为0.01_lat%之间。本实施例中Cr3+的取代浓度为4 at%, Tm3+的取代浓度为10at%,Ho3+的取代浓度为
Iat%, Pr3+的取代浓度为0.2at%。
[0029]将氧化物原料按化学反应式:
3aCr203+3bTm203+3cHo203+dPr60n+ (x-3a-3b-3c_d) Lu2O3+ (3-x) Y203+5A1203= 2Cr3a; Tm3b,Ho3c, Pr3d:Lux_3a音3c_3dY3_xAl5012+4d02 t 称取,其中 a=0.04,b=0.1, c=0.01, d=0.002,x=2.4,均匀混合并压块,使用固相法在1250°C烧结48小时,可得到Cr,Tm, Ho, Pr: Lu2.4Ya6AG多晶原料。把500克Cr,Tm, Ho, Pr:Lu2.4Y0.6AG多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中,铱坩埚放入激光晶体提拉炉中,炉膛抽真空(l_5Pa)后充入氮气作为保护气体,用LuYAG单晶做生长籽晶,籽晶转速为5-10转/分钟,生长拉速l-2mm/小时,使用感应加热法将原料熔化,原料熔化后再过热10小时,经过下种,放肩,等径,提晶,降温等过程,最后获得直径25mm等径长度IOOmm的Cr,Tm, Ho, Pr:Lu2.4Y0.6AG单晶。通过测量晶体的吸收光谱,发现晶体在785nm有宽的吸收带,用785nm半导体激光器激发得到了 2.8_3iim的荧光谱,晶体在2.91 IMm附近有较强的荧光,初步表明该晶体可以用LD泵浦实现2.911 这一特殊波长的激光输出。
[0030]实施例5
实现Tm,Ho, Pr: LuxY3_xAG晶体2.9 y m波段附近激光输出的一种实验装置:
采用785 nm半导体激光器泵浦Tm,Ho, Pr:LuxY3_xAG (Tm3+的取代浓度为10at%,Ho3+的取代浓度为0.5at%,Pr3+的取代浓度为0.lat%,x=2.4)的晶体元件。实验装置如附图1。图中I是Tm, Ho, Pr:Lu2.4YQ.6AG长方体激光晶体元件(3_X3_X20mm) ;2是785nm半导体激光器;3是对2.9 ii m附近波长全反射对785nm高透射的介质镜;4是对2.9 y m附近波长部分透射对785nm全反射的介质镜;5是激光功率计;6是聚焦透镜。
[0031]实施例6
实现或Cr,Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG晶体2.9 y m波段附近激光输出的一种实验装置:
采用脉冲氙灯泵浦Cr,Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG (Cr3+的取代浓度为2at%,Tm3+的取代浓度为10at%,Ho3+的取代浓度为lat%,Pr3+的取代浓度为0.2at%, x=2.4)的晶体元件。实验装置如附图2。图中a是Cr,Tm, Ho, Pr:Lu2.4Y0.6AG激光晶体棒(0>3mmX60mm) ;b是脉冲氙灯;c是对2.9 y m附近波长全反射的介质镜;d是对2.9 y m附近波长部分透射的介质镜;e是激光能量计。`
【权利要求】
1.一种2.9微米附近波长激光晶体,其特征在于:所述晶体的分子式为Tm, Ho, Pr:LuxY3^xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3^xAG,所述 Ho3+ 作为激活离子,Cr3+, Tm3+ 作为 Ho3+的敏化离子,Pr3+作为Ho3+的退激活离子,降低激光下能级寿命,可以减小激光阈值,提高激光转换效率;所述LuxY3_xAG是镥钇铝石榴石LuxY3_xA15012的简写,其作为基质晶体,为激活离子提供一个晶格场;所述Tm,Ho, Pr:LuxY3-xAG中,Tm3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量传递给激活离子Ho3+ ;所述Cr,Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG中,Cr3+将吸收的泵浦光能量首先传递给Tm3+,Tm3+再把能量传递给Ho3+,最后通过Ho3+离子5I6和5I7的两个能级间跃迁,获得2.9微米附近波长激光输出,通过改变其中X的值(0〈x〈3),调节晶格场,可以使晶体在2.911微米附近有强的荧光,从而实现2.911微米这一特殊波长的激光输出。
2.根据权利要求1所述的2.9微米附近波长激光晶体,其特征在于:所述Cr3+是取代基质晶体LuxY3_xAG中的Al3+离子,最适宜的取代浓度范围为l-5at%,即0.01< a〈0.05 ;所述Tm3+、Ho3+和Pr3+是取代基质晶体LuxY3_xAG中的Lu3+离子,Tm3+的最适宜取代浓度范围为l-10at%,即 0.01〈b〈0.1,Ho3+ 的取适宜取代浓度范围为 0.l_2at%,即 0.001〈c〈0.02,Pr3+的取适宜取代浓度范围为0.01-lat%,即0.0001<d<0.01。
3.根据权利要求书I所述的2.9微米附近波长激光晶体,其特征在于:所述Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG晶体适合785 nm附近半导体激光器泵浦,所述Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG晶体适合使用脉冲氙灯作为泵浦源。
4.一种如权利要求1所述的2.9微米附近波长激光晶体的制备方法,其特征在于包括以下步骤: (1)固相法或液相法制备多晶原料 按照下列化学反应式:
3aCr203+3bTm203+3cHo203+dPr60n+ (x-3a-3b-3c_d) Lu2O3+ (3_x) Y2O3 +5Al203=2Cr3a; Tm3b,Ho3c,Pr3d:Lux_3a_3b_3c_3dY3_xAl5012+4d02 t,其中 a=0,即没有掺入 Cr3+离子,或者 a=0.01-0.05,b=0.01-0.1,c=0.001-0.02, d=0.0001-0.01, x=0_3 ;通过固相反应法或液相法制得Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 多晶原料; (2)熔体法生长单晶 使用上述固相法或液相法制备的Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG或Cr, Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG多晶原料,再采用熔体法制备 Tm,Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr,Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 单晶。
5.根据权利要求4所述的2.9微米附近波长激光晶体的制备方法,其特征在于:所述固相法制备多晶原料的步骤为:将氧化物原料按化学反应式:
3aCr203+3bTm203+3cHo203+dPr60n+ (x-3a-3b-3c_d) Lu2O3+ (3_x) Y203+5A1203= 2Cr3a; Tm3b.Ho3c, Pr3d:Lux_3a音3c_3dY3_xAl5012+4d02 t,按照设定的 a, b, c, d, x 分别称取某一固定值,将称取的各氧化物均匀混合并压块,在1250-1350°C空气条件下烧结24-48小时,可得到Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 多晶原料。
6.根据权利要求4所述的2.9微米附近波长激光晶体的制备方法,其特征在于:所述液相法制备多晶原料的步骤为:将氧化物原料按化学反应式:3aCr203+3bTm203+3CHo203+dPr60n+ (x-3a-3b-3c-d) Lu2O3+ (3-x) Y203+5A1203= 2Cr3a’Tm3b, Ho3c, Pr3d: Lux_3a_3b_3c_3dY3_xAl5012+4dO2 t ’其中按照所述设定的a,b,c,d,x分别称取某一固定值,将称取的各氧化物分别用HNO3溶解后均匀混合,用液相共沉淀的方法将混合溶液与氨水共滴定,保持PH值在11.5-12.5,经共沉淀后的混合液,用离心机离心得到凝胶状前驱物,经洗涤,烘干,最后在900-110(TC烧结 10-14 小时,即可获得 Tm,Ho, Pr:LuxY3-xAG 或 Cr,Tm, Ho, Pr:LuxY3_xAG 多晶原料。
7.根据权利要求4所述的2.9微米附近波长激光晶体的制备方法,其特征在于:所述熔体法生长单晶的方法为:将所述固相法或液相法制备的500-600克Tm,Ho, Pr:LuxY3_xAG或Cr,Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG多晶原料装入直径60_70mm的铱坩埚中,将铱坩埚放入激光晶体提拉炉中,炉膛抽真空l_5Pa后充入氮气作为保护气体,用LuAG单晶做生长籽晶,籽晶转速为5-10转/分钟,生长拉速l-2mm/小时,使用感应加热法将原料熔化,原料熔化后再过热8-12小时,经过下种,放肩,等径,提晶,降温等过程,最后获得直径25-30_等径长度80-100mm 的 Tm, H o, Pr: LuxY3_xAG 或 Cr, Tm, Ho, Pr: LuxY3_xAG 单晶。
【文档编号】C30B29/28GK103614776SQ201310516169
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】孙敦陆, 罗建乔, 张会丽, 陈家康, 曹世豪, 程毛杰, 张庆礼, 殷绍唐 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院
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