一种稀土离子掺杂氧化钇钪混晶激光晶体、生长方法及其应用

1.本发明涉及激光晶体技术领域，具体涉及一种稀土离子掺杂氧化钇钪混晶激光晶体、其生长方法及其应用。


背景技术：

2.2微米波段中红外激光在激光雷达、大气探测、激光医疗和光电对抗等领域展现了广泛的应用前景，是当前激光技术的研究热点领域。目前，通过稀土离子掺杂的激光晶体直接输出中红外激光是一种重要的技术路线，具有结构紧凑、成本较低等多种优势。目前已经有 yag、yap、liyf4等多种晶体实现了2微米波段中红外激光的输出，然而上述晶体却存在着热导率低、最大声子能量过高、吸收发射谱窄等缺点，导致在激光器应用中出现了效率低下、高工作功率下晶体易受损、激光阈值高、对泵浦源波长要求苛刻等多种问题，制约了进一步提高实用性的空间。
3.氧化钇钪晶体属于混晶，在混晶中，不同的阳离子随机分布在相同格位上，由于y和 sc的离子半径相差较大，所以原来倍半氧化物中相同的氧八面体产生不同程度的畸变，因此能产生更大的非均匀加宽。此外，y和sc的质量差异，也会对光谱展宽造成影响。因此氧化钇钪混晶具有较宽的光谱，有利于输出宽带可调谐激光和短脉冲激光。氧化钇钪混晶属于稀土倍半氧化物晶体，具有较低的最大声子能量，能够有效抑制中红外激光工作中的交叉驰豫现象，有效提高上能级荧光寿命，进而降低激光阈值。此外稀土倍半氧化物晶体还具有较高的热导率，有利于激光器长时间高功率运行。
4.目前，国内外尚未有2微米中红外固体激光器的稀土离子掺杂氧化钇钪混晶激光晶体的相关报道。研究一种面向2微米中红外固体激光器的稀土离子掺杂氧化钇钪混晶激光晶体，对于发展中红外激光具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种面向2微米中红外固体激光器的稀土离子掺杂氧化钇钪混晶激光晶体，该晶体能够实现1.9～2.2微米波段中红外激光输出，在科研、环境、医疗及军事等领域有重要应用前景。
6.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
7.一种稀土离子掺杂氧化钇钪混晶激光晶体，其特点在于，该晶体的化学式为： (ln
xyy
scz)2o3，式中，ln为掺杂的稀土激活离子，选取tm
3+
离子，ho
3+
离子或tm
3+
与ho
3+
共掺杂的组合；x为ln的摩尔百分数，范围为0.005≤x≤0.1，y和z分别为钇和钪元素的摩尔百分数，范围为0.1≤y≤0.9和0.1≤z≤0.9，且x+y+z＝1。
8.特别地，当选取tm
3+
与ho
3+
共掺杂的组合时，tm
3+
作为敏化离子，ho
3+
离子作为激活离子，利用tm
3+
对商用ld泵浦源的良好适配性这一优点，结合tm
3+
∶3f4→
ho
3+
∶5i7的能量转移过程，从而提高对泵浦能量的利用效率。
9.一种稀土离子掺杂氧化钇钪激光晶体的制备方法，其特点在于，按上述的化学式对原料 y2o3、sc2o3和ln2o3进行配比与混合，并采用提拉法、泡生法、坩埚下降法、温梯法、热交换法或光学浮区法生长得到稀土离子掺杂氧化钇钪混晶激光晶体。
10.本发明还提供了一种面向2微米中红外固体激光器，其特点在于，包含上述晶体或者根据上述方法生长的晶体中的至少一种，以晶体作为激光增益介质，输出1.9-2.2微米中红外激光。
11.本发明相对于现有技术具有如下的优势：
12.①
氧化钇钪混晶作为稀土倍半氧化物晶体，具有较高的热导率及低声子能量的优点，有利于提高中红外激光输出效率，降低激光阈值。
13.②
氧化钇钪混晶具有较宽的吸收发射光谱，有利于实现宽带可调谐及短脉冲激光输出。
附图说明
14.图1是本发明中tm
3+
的能级跃迁示意图；
具体实施方式
15.为使本发明的实现及其用途优势更加清楚，下面结合实施例详述本技术，但本技术的保护范围不局限于下述实施例。
16.实施例1：利用光学浮区法生长的(tm
0.005y0.095
sc
0.9
)2o3晶体实现1980nm中红外激光输出。
17.选取商售4n纯级y2o3，sc2o3和tm2o3粉末，按照(tm
0.005y0.095
sc
0.9
)2o3的化学式进行配料，也即是tm的掺杂浓度为0.5at.％。用混料机混合均匀后于1400℃烧制成尺寸φ8
×
40mm 的料棒，通过光学浮区法生长为尺寸φ8
×
10mm的晶体。将晶体加工为3
×3×
6mm的两端抛光方形激光棒用于激光实验。激光装置采用如下设备：输出波长为793nm的商用algaas 半导体激光器作为泵浦源，输入镜在793nm处高透，在1.9-2.1微米处高反，输出镜在793 nm处高反，在1.9-2.1微米处透过率为5％，晶体夹具为铜制热沉，冷却装置为循环水。将激光装置以氦氖激光准直后，通过调节腔镜和晶体位置与倾角，最终实现高效的1980nm中红外激光输出。
18.实施例2：利用温梯法生长的(ho
0.1y0.8
sc
0.1
)2o3晶体实现2050nm中红外激光输出。
19.选取商售4n纯级y2o3，sc2o3和ho2o3粉末，按照(ho
0.1y0.8
sc
0.1
)2o
33
的化学式进行配料，也即是ho的掺杂浓度为10at.％。用混料机混合均匀后压制成料饼，于1600℃烧结成型，最后放入铼制坩埚中用温梯法生长为晶体，温度梯度设置为30℃/cm，加热到熔点后按照事先设定的程序缓缓降温，最终得到尺寸φ20
×
10mm的块状晶体。将晶体加工为3
×3×
5mm的两端抛光方形激光棒用于激光实验。激光装置采用如下设备：输出波长为793nm的商用algaas半导体激光器作为泵浦源，输入镜在793nm处高透，在2.0-2.2微米处高反，输出镜在793nm处高反，在2.0-2.2微米处透过率为1％，晶体夹具为铜制热沉，冷却装置为循环水。将激光装置以氦氖激光准直后，通过调节腔镜和晶体位置与倾角，最终实现高效的 2050nm波段中红外激光输出。
20.实施例3：利用热交换法生长的(tm
0.05
ho
0.005y0.4725
sc
0.4725
)2o3晶体实现2050nm中红
外激光输出
21.选取商售4n纯级y2o3，sc2o3，tm2o3和ho2o3粉末，按照tm
0.1y0.95
sc
0.95
o3化学式进行配料，也即是tm和ho的掺杂浓度分别为优选的5at.％与0.5at.％，用混料机混合均匀后压制成料饼，于1500℃烧结，通过热交换法生长为尺寸φ30
×
10mm的晶体，坩埚为铼制，使用尺寸为φ10
×
3的籽晶。将晶体加工为3
×3×
8mm的两端抛光方形激光棒用于激光实验。激光装置采用如下设备：输出波长为793nm的商用algaas半导体激光器作为泵浦源，输入镜在793nm处高透，在2.0-2.2微米处高反，输出镜在793nm处高反，在2.0-2.2微米处透过率为1％，晶体夹具为铜制热沉，冷却装置为循环水。将激光装置以氦氖激光准直后，通过调节腔镜和晶体位置与倾角，最终实现高效的2050nm波段中红外激光输出。