Nd, Er:GSAG激光晶体及其制备方法
【专利摘要】本发明是一种Nd,Er:GSAG激光晶体及其制备方法，该激光晶体的化学式为Nd3+,Er3+:Gd3Sc2Al3O12简写成Nd,Er:GSAG，分子式Nd3xEr3yGd3(1-x-y)Sc2Al5O12，其中0.001≤x≤0.2，0.005≤y≤0.5。通过采用Nd2O3、Er2O3、Gd2O3、Sc2O3、Al2O3作为原料，按所需比例混合、压制成块后，通过固相法获得晶体生长初始原料，然后采用提拉法、温梯法、热交换法、坩埚下降法或者泡生法定向生长制得。Nd3+作为敏化离子能将吸收的能量转移给晶体中的Er3+离子，提高了Nd,Er:GSAG的2.7-2.9μm附近激光的泵浦效率。这个波段的激光在生物医疗、光参量振荡及光电对抗等领域有着重要的应用。
【专利说明】Nd, Er: GSAG激光晶体及其制备方法
[0001]【技术领域】
本发明属于激光晶体材料领域，具体是关于一种综合性能优良的Nd，EriGSAG激光晶体及其制备方法。
【背景技术】
[0002]Er3+离子的2.7-3 μ m波段激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。但在单掺Er3+的激光材料中，由于Er3+的高效吸收带与目前发展成熟的LD激光波长不匹配，因此泵浦效率较低。为了提高泵浦效率，采用Nd3+离子对Er3+离子进行敏化，把Nd3+离子吸收的能量转移给Er3+离子，由于Nd3+离子在中心波长为808nm波段有非常强的吸收，因此，用Nd3+对Er3+进行有效的敏化，可以大大提高泵浦效率，同时中心波长为808nm的LD激光器是发展成熟的半导体激光器，采用中心波长为808nm的LD激光器作为泵浦源，为Nd, Er: GSAG实现高效激光输出创造了条件。Nd3+离子敏化的Er: GSAG,也可以用中心波长为880nm的半导体激光器泵浦，实现2.7-2.9m的激光输出。此外，由于Nd3+的敏化，Er3+离子激光下能级4113/2的寿命可以减小，同时由于Er3+离子的激光上能级4Iiv2与敏化离子Nd3+之间不发生交叉弛豫，因此Er3+上能级4111/2的寿命基本不改变，所以采用Nd3+离子对Er:GSAG进行敏化，不仅能提高泵浦效率，降低振荡阈值，而且对于抑制由于激光下能级寿命较长引起的饱和终止也是有利的。
[0003]Nd, EriGSAG晶体可采用中心波长在808nm或880nm的半导体激光泵浦，降低了激光器的复杂程度，有利于设备小型化。另外，通过6tlCo Y射线辐照实验表明基质GSAG本身具有抗辐射功能，所以Nd，EriGSAG晶体还可以满足辐射环境和空间环境应用的需要。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种Nd，EriGSAG激光晶体及其制备方法，是采用熔体法生长出大尺寸优质的Nd，Er: GSAG石榴石单晶，实现高效激光输出的抗辐射Nd，Er: GSAG激光晶体。
[0005]本发明的技术方案是通过以下方式实现的:2.7-2.9微米Nd，Er = GSAG激光晶体，该晶体的化学式为 Nd3+，Er3+ = Gd3Sc2Al3O12 简写成 Nd，EriGSAG,分子式 Nd3xEr3yGd3(1_x_y)Sc2Al5O12，其中 0.001 ^ 0.2,0.005 ≤y≤0.5。
[0006]所述的该晶体使用中心波长在808nm或880nm附近的半导体激光作为泵浦源。
[0007]一种制备2.7-2.9微米Nd，Er:GSAG激光晶体的方法，包括以下步骤:1)采用固相法制备晶体生长原料、2)加热熔化晶体生长原料、3)选取籽晶、4)定向生长，其特征在于:
I)采用固相法制备晶体生长原料:用Nd203、Er203、Gd203、Sc2O3^Al2O3作为起始原料，按照下述化学反应式
3xNd203+3^Er203+3 {l~x~y) Gd203+2Sc203+3Al203=2Nd把Er3,Gd(3_3r3,) Sc2Al3O12称取各个组分原料，充分混合后，通过冷等静压将混合原料压制成饼后，在1000~1500°C高温烧结12~170个小时，降温到室温，获得晶体生长的初始原料；2)加热熔化晶体生长原料:将上述的的晶体生长初始原料放入坩埚中，在真空、氮气氛、氩气氛、CO气氛或者含2%体积氧的氮气氛、氩气氛中加热，使原料充分熔化并恒温4~170小时后，获得晶体生长的熔体；
3)选取籽晶:采用不掺杂的钆炕铝石榴石Gd3Sc2Al5012、掺杂钆炕铝石榴石Nd3xEr3,Gd3(1_x_,)SC2Al5012、Nd3xGd3(1_x)SC2Al5012 或者 Er3,Gd3(1_,)Sc2Al5012 作为籽晶，籽晶方向为〈111〉、〈001〉、〈100〉或〈010〉；
4)定向生长:将步骤2)的熔体冷心降温至制』1"似46熔点后，将6(135(^15012、Nd3xEr3,Gd3(1T,)SC2Al5012、NdarGd3il^Sc2Al5O12 或 Er3,Gd3(1_,)SC2Al5012 作为籽晶，用提拉法、温梯法、热交换法、坩埚下降法或者泡生法进行定向生长，即获得Nd，EriGSAG激光晶体。
[0008]所述的步骤2)中晶体生长过程中存在组分分凝效应，设所述Nd，Er:GSAG晶体中某种元素的有效分凝系 数为= 0.01-1，则当所述的步骤I) 一步骤2)中NcUEr的化合式中该元素的化合物的质量为r时，则在配料中调整为w/k0
[0009]本发明的Nd，Er:GSAG激光晶体适合在空间环境中使用。由于NcT离子在808nm有非常强的吸收，而808nm高功率半导体激光器已发展的较为成熟，因此，用Nd3+对Er3+进行有效的敏化，将吸收的能量转移给Er3+离子，可达到提高对泵浦光吸收效率、降低激光振荡阈值及抑制饱和终止的目的。因此，Nd, EriGSAG晶体有望成为一种半导体激光泵浦适合空间使用的高效激光晶体。用Nd，Er: GSAG晶体产生的2.7-2.9 μ m波段激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。除可满地面应用的要求外，还可以满足辐射环境和空间环境应用的需要。
【具体实施方式】
[0010]实施例1:
制备NcUEr掺杂浓度分别为1&七％、30&七％的恥31^54604单晶:
1、采用Nd203、Er203、Gd203、Sc203、Al203作为原料，按如下化合式进行配料，取(Eq.1)中的x=0.01/c，尸0.3/ ?/，设Nd, Er在GSAG晶体生长中其分凝系数分别为C、:则(Eq.1)化学反应式为
0.03/cNd203+0.9/d Er2O3+ (3-0.03/c~0.9/cf) Gd203+2Sc203+3Al203=
2Nd0 03/c Er0 9" Gd3 (1-0.01/c-0.3/t/) Sc2Al3O12
设 /M0.0943 /c+ 344.265/i/+(1-0.01/c-0.3/?/) X 1087.49+581.704，
J= (10.0943 /c) /T,
Y= (344.265/i/) /T,
Z= (1-0.01/c-0.3/?/) X 1087.49/,，
i/=275.82 IT,
V=305.884 IT,
设需要制备的原料为r克，则原料各组分的成分如下:
Nd2O3WX 克
Er2O3WY 克
Gd203WZ 克
Sc203WU 克Al2O3WV 克
并将这些原料充分混合均匀，得到配料混合物。
[0011]2、将混合均匀的原料混合物压制成饼状，在1250°C之间进行烧结，烧结时间为10~48小时，获得晶体生长的初始原料；或者压制成形后的原料不经额外烧结而直接用作生长晶体原料；
3、把晶体生长初始原料放入生长坩埚内，通过加热并充分熔化，获得晶体生长初始熔体；然后采用熔体提拉法晶体生长工艺，用〈111〉方向的GSAG生长长，获得Nd，EriGSAG单
晶。`
【权利要求】
1.Nd, EriGSAG激光晶体，其特征在于:该晶体的化学式为Nd3+，Er3+ = Gd3Sc2Al3O12简写成 Nd, Er:GSAG，分子式 Nd3xEr3yGd3(1_x_y)Sc2Al5012，其中 0.001 ≤z ≤ 0.2，0.005 ≤ 0.5。
2.一种制备权利要求1所述的激光晶体的方法，包括以下步骤:1)采用固相法制备晶体生长原料、2)加热熔化晶体生长原料、3)选取籽晶、4)定向生长；其特征在于: 1)、采用固相法制备晶体生长原料:用Nd203、Er203、Gd203、Sc203、Al2O3作为起始原料，按照以下化学反应式 3zNd203+3_FEr203+3 (In) Gd2OjZSc2OjSAl2O3=ZNdarEr3,Gd(3u,)Sc2Al3O12 称取各个组分原料，充分混合后，通过冷等静压将混合原料压制成饼后，在1000~1500°C高温烧结12~170个小时，降温到室温，获得晶体生长的初始原料， 2)、加热熔化晶体生长原料:将上述的的晶体生长初始原料放入坩埚中，在真空、氮气氛、氩气氛、CO气氛或者含2%体积氧的氮气氛、氩气氛中加热，使原料充分熔化并恒温4~170小时后，获得晶体生长的熔体， 3)、选取籽晶:采用不掺杂的钆炕铝石榴石Gd3Sc2Al5012、掺杂钆炕铝石榴石Nd3xEr3,Gd3(1_x_,)SC2Al5012、Nd3xGd3(1_x)SC2Al5012 或者 Er3,Gd3(1_,)Sc2Al5012 作为籽晶，籽晶方向为〈111〉、〈001〉、〈100〉或〈010〉， 4)、定向生长:将步骤2)中晶体生长的熔体冷心降温至Nd，Er:GSAG熔点后，将Gd3Sc2Al5O12' Nd3xEr3,Gd3(1_r,)Sc2Al5O12' NdarGd3(H)Sc2Al5O12 或 Er3,Gd3(卜,)Sc2Al5O12 作为籽晶，用提拉法、温梯法、热交换法、坩埚下降法或者泡生法进行定向生长，即获得Nd，EriGSAG激光晶体。
3.根据权利要求2所述的制备激光晶体的方法，其特征在于:所述的步骤2)中晶体生长过程中存在组分分凝效应，设所述Nd，Er:GSAG晶体中某种元素的有效分凝系数为U =`0.01-1，则当所述的步骤I) 一步骤2)中NcUEr的化合式中该元素的化合物的质量为/f时，则在配料中调整为W/k。
【文档编号】H01S3/16GK103696007SQ201310005611
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年1月8日 优先权日:2013年1月8日
【发明者】张坤 申请人:江苏森烽晶体科技有限公司