一种自调q的石榴石晶体及其制作的自调q器件、自调q脉冲激光器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自调Q的石榴石晶体及其生长方法和利用该晶体制作的自调Q器 件、自调Q脉冲激光器，属于晶体生长和激光器件技术领域。
【背景技术】
[0002] 调Q脉冲激光由于具有高的峰值功率，大的脉冲能量，和相对较短的脉冲时间等 优势，在工业加工，遥感测量和军事对抗等领域具有很重要的潜在应用。调Q脉冲激光分为 主动调Q激光和被动调Q激光。相对于主动调Q激光，被动调Q激光具有简单紧凑和低成 本的结构配置，因而得到了更多的研宄和关注。对于被动调Q激光，饱和吸收体是其重要的 组成部分。通过利用饱和吸收体本身的可饱和吸收特性（即：在高能量密度激光照射时可 达到吸收饱和的高透过率，而低能量密度激光照射时达到未吸收饱和的低透过率）对腔内 激光产生过程的损耗进行调节，从而达到调Q激光输出的目的。产生被动调Q脉冲激光的 饱和吸收体和激光增益介质如果分别进行设计会增加调Q激光器的空间复杂性和降低工 作系统的稳定性，并限制其器件的集成小型化。通过把可饱和吸收激活离子和激光增益激 活离子结合在一种基质中即可实现所谓的自调Q脉冲激光。此类自调Q器件具有更加简单 紧凑的结构设计和更加低廉的加工成本，从而更有利于脉冲激光器的集成小型化。
[0003] 目前报道的自调Q材料主要有Re3+，Cr5+:LnV04(Re=Nd或Yb，A=Y，Gd或Lu)和 Re3+,Cr4+:Y3A15012(YAG)(Re=Nd或Yb)。Nd,Cr4+:YAG和Yb,Cr4+:YAG自调Q晶体已在科研 领域得到了广泛的研宄。然而，对于此类晶体，掺进的Cr4+离子的半径比替代的四面体格位 上的Al3+离子（r( ,.=〇_41A和rAI=0.39A)大，因而导致Re，Cr4+:YAG晶体中Cr4+离子的分 凝系数比较小。从而增加了晶体的应用长度及阻碍了自调Q器件的小型化。此外Cr4+离子 在YAG中小的基态吸收截面和大的激发态吸收截面增加了的腔内非饱和吸收损耗从而影 响了其饱和吸收调制性能。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种自调Q的石榴石晶体及其制作的自调Q器 件、自调Q脉冲激光器。所述的自调Q的石榴石晶体是Re3+，Cr4+:A3 (ScxGai_x) 2Ga3012钕或镱 与四价铬离子双掺镓石榴石或镓钪石榴石晶体。
[0005] 本发明还提供一种Re3+，Cr4+:A3(ScxGai_x)2Ga3012石榴石晶体的生长方法。
[0006] 本发明还提供Re3+，Cr'AjSCxGahhGaPu自调Q器件的制备以及一种自调Q脉 冲激光器。
[0007] 术语说明：
[0008] Re'Cr'AjSqGahhGa^^钕或镱与四价铬离子双掺镓石榴石或镓钪石榴石 晶体的简称，Re=Nd或Yb，A=Y,Gd或Lu，0 <x< 1。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] - 种自调Q的石植石晶体，通式为（ReyCazAi-y-z) 3 (SCxGa^) 2 (CrzGa^z) 3012，其 中，Re=Nd或Yb，A=Y，Gd或Lu，0 彡x彡l，0〈y彡 1，0. 00001 彡z彡 0? 1 ;简写为Re3+，Cr^AdSc^Ga^hGa^，具有Ia_3d空间群结构。掺入Ca2+离子的作用是来进行电荷 补偿以维持晶体内部的电荷平衡。
[0011] 本发明的自调Q的石榴石晶体用于自调Q脉冲激光器中可实现自调Q激光输出。
[0012] 根据本发明优选的，当掺杂Nd3+和Cr4+离子时，Nd3+，Cr'AjSqGahhGa^晶体 可实现输出波长为〇.9ym(4F3/2- 4I9/2)、1.06ym(4F3/2- 4111/2)的自调Q脉冲激光；
[0013] 当掺杂Yb3+和Cr4+离子时，Yb3+，Cr'AjSCxGa^hGaA^体可实现输出波长为 lym(2F5/2- 2F7/2)左右的自调Q脉冲激光。
[0014] 本发明优选的，所述自调Q的石榴石晶体是下列之一，其中，0彡X彡1 :
[0015] a.Nd3.，Cr4+:Y3(ScxGah)2Ga3012晶体，
[0016]b.Yb3.，Cr4+:Y3(ScxGah)2Ga3012晶体，
[0017]c.Nd3+，Cr4+:Gd3(ScxGah)2Ga3012晶体，
[0018]d.Yb3.，Cr4+:Gd3(ScxGah)2Ga3012晶体，
[0019] e.Nd3.，Cr4+:Lu3(ScxGah)2Ga3012晶体，
[0020] f.Yb3.，Cr4+:Lu3 (ScxGah) 2Ga3012晶体。
[0021]对于掺杂NcT和Cr4+离子的晶体，优选的：Nd3+浓度0〈y彡0.01，Cr4+浓度 0? 0001 彡z彡 0? 01。进一步优选，0? 005 彡y彡 0? 01，0. 0003 彡z彡 0? 002。
[0022] 特别优选的，所述自调Q的石榴石晶体是Nd3+，Cr4+:Y3Ga5012,Nd3+，Cr4+: 6(1抑5012和 Nd3+，Cr4+:Lu3Ga5012。图3所示为1mm厚的Nd3+，Cr4+:Y3Ga5012晶体[111]方向的非偏振吸收 谱图。其中，Nd3+离子的掺杂浓度y= 0. 01，Cr4+离子的掺杂浓度z= 0. 00033。
[0023] 对于掺杂Yb3+和Cr4+离子的晶体，优选的：Yb3+浓度0〈y彡1，Cr4+浓度 0? 0001 彡z彡 0? 01。进一步优选，0? 05 彡y彡 0? 1，0. 0003 彡z彡 0? 002 ;
[0024] 特别优选的，所述自调Q的石榴石晶体是Yb3+，Cr4+:Y3Ga5012,Yb3+，Cr4+: 6(1抑5012和 Yb3+,Cr4+:Lu3Ga5012〇
[0025]Re3+(Nd3+或Yb3+)、Ca2+和A3+(Y3+,Gd3+或Lu3+)离子都占据十二面体格位，Sc3+和 部分Ga3+离子占据八面体格位，Cr4+和剩下的Ga3+离子占据四面体格位。对于同一种A 元素石榴石晶体，由于在八面体格位上，Sc3+离子的半径大于Ga3+离子（rSl:=0.745A和 ;-Ga=0.620A )，伴随着Sc掺杂量的增加，其晶格常数呈现增长趋势。
[0026] 本发明的Re3+，Cr4+:A3(ScxGai_x)私3012晶体的生长方法，包括步骤如下：
[0027] (1)以Re203,A203,Sc203,Ga203,Cr203,CaC03为原料，按照通式（ReyCaA_y_z) 3 (ScxG 各组分的摩尔比分别计算称量原料，混合12小时后放到Pt坩埚在 1000-1100°C烧结10小时；研磨混合得到粒径为微米级的Re3+，Cr'AjSCxGahhGa^石榴 石多晶料。
[0028] (2)将上述的Re3+，Cr'AjSCxGa^hGaA石榴石多晶料装入气球捣实，在抽完真 空后，在60-80MPa的等静水压下压制l-5min成圆柱形料棒，将料棒置于1000-1500°C的烧 结炉中烧结6-8小时。
[0029] (3)光浮区法生长Re3+，Cr4+:A3ScxGa5_x012晶体：采用[111]方向的纯YAG籽晶，密 封通氧的石英管内，在光浮区生长炉中下端旋转移动杆固定籽晶，上端旋转移动杆固定多 晶料棒；升温至籽晶上端和多晶料棒下端熔化，移动使两者接触，向下移动籽晶和料棒开始 晶体生长。籽晶上端不断地从熔体接触端固液界面析出晶体，向下移动的料棒不断地熔化 补充熔区原料含量。通过调节氙灯的的加热功率和料棒的向下移动速度来实现收颈一放肩 -等径一收尾晶体生长过程；其特征在于：生长过程中通入纯度多99. 9%的氧气，氧气流 动速率为30〇11117111111，以使1^3+，04+:4说知 1_!￡)私3012内四面体上的0元素的价态为+4 价，在900-1200nm波段具备可饱和吸收性质；上、下两个旋转移动杆的转速控制在15-20r/ min，转动方向相反，以使生长时晶体与熔区的固液界面为微凸界面；收颈处的直径控制在 2-3_，放肩和收尾的晶体生长长度均要控制在5-10_，以减少晶体内的生长缺陷，提高晶 体的生长质量；生长完的晶体在1000°C的空气中下退火30-40h以消除晶体所存在的较大 的热应力。
[0030] 根据上述生长方法，优选的，Re3+，Cr'AjSqGahhGaA#晶料棒长度为4-lOcm， 直径为5-10mm。
[0031] 根据上述生长方法，优选的，[111]方向的YAG籽晶截面尺寸为4X4,长度为 15-30mm〇
[0032] 根据上述生长方法，优选的，晶体对接前的升温速度和生长完成后的降温速度为 300-600。。/h〇
[0033] 根据上述生长方法，优选的，1^3+，〇4+:4 3(5〇!^1_丄633012晶体生长速度为5-8111111/ h〇
[0034] 根据上述生长方法，优选的，等径段的Re3+，Cr'AjSc^GahhGa^晶体直径为 5_8mm，晶体长度为3_8cm。
[0035] 本发明的生长方法具有生长速度快，生长周期短。且生长过程中采用 区域熔化的熔区，无坩埚，从而避免了坩埚污染。该方法可方便地制得厘米级 Re3.，Cr4+:A3 (SqGah) 2Ga3012晶体。
[0036] 根据本发明提供一种自调Q器件，即Re3+，Cr'AjSqGahhGa^自调Q器件，
[0037] 它是以本发明所述的Re3+，Cr^AjSCxGahhGa^晶体沿[111]方向切割、两通光 端面抛光后再镀以相应波长的介质膜或不镀膜制成。
[0038]Re'Cr'AjSc^GahhGaA^通光端面根据激光器内所需的晶体外形可设计为 圆形，方形或其他特殊形状，通光方向晶体厚度为〇.l-10mm。优选通光方向晶体厚度为 0? 5_5mm〇