一种中红外激光晶体Yb,Er,Eu:LaYSGG的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种中红外波段激光晶体Yb,Er,Eu:LaYSGG，分子式Yb3xEr3yEu3zLa3wY3(1-x-y-z-w)Sc2Ga3O12，其中Yb3+的取代浓度为1～5at％，Er3+激活离子的取代浓度为10～50at％，Eu3+的取代浓度为0.1～5at％，La3+的取代浓度为1～10at％。晶体中共掺入Yb3+是为了增大晶体对泵浦光的吸收效率，掺入Eu3+使得Er3+离子激光下能级的荧光寿命得到一定的减小、以抑制自终态效应，从而有效提高2.7～2.8μm波段中红外激光输出的功效。
【专利说明】-种中红外激光晶体Yb, Er, Eu:LaYSGG
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光晶体材料领域。
【背景技术】
[0002] 2. 5?3. Ομπι中红外波段激光在军事和民用两个方面都有非常重要的应用，是目 前激光界的研究热点之一。铒离子的％1/2 - %3/2跃迁，在不同的基质中可产生2. 7-3. 0 μ m 波段的激光，这个波段与水的强吸收峰位置重叠，因而水对它的吸收率特别高，是精细外科 手术理想的工作波段，这一性质使铒激光器在生物和医学领域已得了非常广泛的应用。另 夕卜，用2. 7?3 μ m的激光泵浦中远红外非线性晶体实现光参量振荡，能够获得3?19 μ m 的高功率红外光源，可用于光电对抗（干扰）、红外照明、激光雷达、自由空间通信、化学和 生物战剂的探测、环境污染监测以及反恐等领域。
[0003] 基质晶体Y3Sc2Ga30 12 (以下简称为YSGG)具有石榴石结构，化学性能稳定、硬度高、 光学各向同性，可采用熔体提拉法生长出大尺寸、低光学损伤、高光学质量的晶体，同时， YSGG具有比著名的商业化晶体YAG更低的声子能量，这就减少了多声子无辐射跃迁几率， 从而可提高激光效率。本发明提出一种新型的中红外激光晶体LaYSGG，即La 3+掺入YSGG晶 体取代Y的十二面体格位形成。La3+的引入使晶体结构无序度增加，从而使得稀土离子激 活的LaYSGG晶体的吸收光谱和荧光光谱得以展宽，有助于提高激光输出功率和效率。
[0004] 在Er:YSGG晶体中，2. 79 μ m的激光上能级4111/2的寿命为1. 3ms，该晶体是很好 的储能材料，适合于调Q输出巨脉冲激光。但是由于激光下能级％3/2的寿命高达3. 4ms， 是寿命更长的亚稳态。受激发射过程中，跃迁下来的粒子积累在4113/2能级上，不利于激光 发射过程中保持足够的粒子数反转。为了有效减小下能级％ 3/2的寿命，在晶体中掺入能 级与％3/2接近的离子，通过离子间的共振能量转移，可加快抽空激光下能级粒子的速度。 1988 年，Huber 等人（Huber, et al, laser pumping of Ho, Tm, Er garnet laser atroom temperature, IEEE J of Quantum Electronics, 1988, 2:920)比较了连续二极管激光器泵 浦Cr，Er:YSGG和Cr，Er，Ho:YSGG晶体的输出特性，发现后者的斜率效率明显提高。这是由 于Ho 3+的％能级与4113/2能级接近，加速了激光下能级粒子抽空速率，振荡过程中激光介质 保持了较高的增益。本发明提出的Yb，Er，Eu:LaYSGG晶体中Eu 3+的7F6能级与Er3+离子的 激光下能级 4I13/2接近，能加速激光下能级粒子抽空速率，降低能级寿命，在振荡过程中激光 介质可以保持较高的增益，提高激光输出的斜率效率。而共掺入Yb 3+的目的是增大晶体对 LD泵浦光的吸收效率，从而提高中红外波段的激光输出功效。
[0005] 在上世纪七八十年代，由于当时Sc203原料非常昂贵，从而限制了含钪石榴石晶 体的研究和发展。近年来，随着应用需求和提取技术的迅速发展，Sc 203的价格有了较大 幅度的降低，国外含钪石榴石晶体的研究又重新兴起。据检索，目前国内外都还没有关于 Yb，Er，Eu: LaYSGG激光晶体的报道。掺杂Er3+的激光晶体可实现该波段激光的输出，这是 由于Er3+在 4111/2态和4113/2态之间跃迁产生的辐射波长刚好位于2.5?3·0μπι范围内，这 类晶体生长技术比较成熟，其中Er:YAG，Cr，Er:YSGG具备良好的激光特性，已经在牙科、夕卜 科手术、采血、激光美容等方面得以广泛应用。与YAG晶体相比，LaYSGG具有两个突出的优 占 ·
[0006] (1)熔点比YAG低200°C，采取中频电源加热的提拉炉较容易获得大尺寸优质晶 体。
[0007] (2)声子能量比YAG低，从而使其无辐射跃迁几率比较低，有利于提高激光效率。
[0008] 总之，￥1331'311:1^566可以成为一种非常有前途的可实现2.7?2.8以111波段高 效中红外激光输出的激光晶体材料。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于公开一种能够实现2. 7?2. 8 μ m高效中红外激光输出的激光 晶体材料Yb，Er，Eu:LaYSGG。本发明针对现有技术中存在的上述问题，提出一种中红外激 光晶体 Yb，Er，Eu:LYSGG，其特征在于：晶体的化学式为 Yb3+，Er3+，Eu3+:La3wY 3_3wSc2Ga3012，分 子式 Yb3xEr3yEu3zLa3wY3(1_ x_y_z_w)Sc2Ga 3012，式中 0〈x, y, z, w〈l ;其中 Yb3+、Er3+、Eu3+ 和 La3+ 都是 取代晶体中十二面体中心位置的Y3+，Yb3+的掺杂浓度为l_5at%，Er 3+的掺杂浓度为10? 50at%，Eu3+的掺杂浓度为(λ l_5at%，La3+的取代浓度为l-10at%。
[0010] 所述晶体是以声子能量较低的镧掺杂钇钪镓石榴石为基质的激光晶体，其中Yb3+， Er3+和Eu3+取代晶体中十二面体中心位置的Y3+ :Yb3+作为敏化剂使得该晶体在970nm附近 的吸收峰强度增大、半峰宽变宽，可增大晶体对泵浦光的吸收，从而提高泵浦效率；另一方 面，Eu 3+的7F6能级与Er3+离子的激光下能级41 13/2接近，可加速激光下能级粒子抽空速率， 减小寿命，在振荡过程中激光介质可以保持较高的増益，提高激光输出的斜率效率。
[0011] 本发明的有益结果是，提供一种高效中红外激光晶体Yb，Er，Eu:LaYSGG，晶体属于 立方晶系，可采用熔体提拉法生长出高光学均匀性的晶体。用Yb，Er，Eu:LaYSGG晶体产生 的2. 7?2. 8 μ m波段激光在医疗、基础科学研究及军事等领域有着重要的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 以下结合附图对本发明的实施方式进行具体描述：
[0013] 图1 :Yb，Er，Eu:LaYSGG晶体的室温吸收光谱，从图中可以看出，共掺入Yb3+之后 900?1026nm之间出现了一个宽的吸收峰，其中972nm与商业二极管泵浦波长匹配，适宜作 为泵浦波长。
[0014] 图2 :Yb，Er，Eu:LaYSGG晶体在972nm泵浦下的中红外波段的荧光光谱，从图中可 以看出主要有2个荧光发射波段，峰值波长分别为2640nm和2820nm。图3:LD泵浦激光实 验装置。
【具体实施方式】：
[0015] 晶体提拉法生长所用的仪器是D几-400的中频提拉炉，中频电源型号为 KGPF25-0. 3-2. 5。采用Pt/Pt-Rh的热电偶和型号为815EPC的欧路表控温。所采用的坩埚 是 Φ70πιπιΧ50πιπι 的铱坩埚，所用的原料是 4N 级的 Y203、Sc203、La20 3、Ga203、Eu203、Er 203 和 Yb2〇3。根据下列化学反应式配制原料：
[0016] 3xYb2〇3+3yEr2〇3+3zEu2〇3+3wLa 203+3 (l-x-y-z-w)Y2〇3+2Sc2〇3+3Ga2〇3 = 2Yb3xEr3yEu3zLa3wY3(1_ x_y_z_w)Sc2Ga 3012按化学计量比称量各原料，混合均匀，压成片状，放进钼 坩埚，置入普通烧结炉中，以150°C /h缓慢升温到1080°C，保持48h，重复此过程，然后放入 高温烧结炉中在1450°C下恒温烧结72h，取出多晶料，直至X射线粉末衍射与标准卡片完全 相符为止。
[0017] 把原料装入〇70mmX50mm的铱坩埚内，为了避免铱坩埚的氧化，首先抽出炉子内 的空气，使得炉子内的气压达到一 〇. OIMPa，再充入高纯氮气使得气压达到0. 04MPa，然后 升温到比熔点高50°C的温度，恒温1小时，使得原料熔化完全。以[111]方向的YSGG晶体 作为籽晶生长大尺寸的优质晶体。生长过程中，籽晶杆的提拉速率为1.0?1.5mm/h，降温 速率为1?10°C /h，籽晶杆的转动速率为12?20r. p. m.，生长结束后将晶体提离液面， 以8?25°C /h的速率降至室温，得到尺寸为Φ 20mmX 50mm的透明晶体。
[0018] 我们采取提拉法生长了 Yb3+、Er3+和Eu3+三掺的LaYSGG晶体，并测试其吸收光谱 及荧光光谱，如图1和图2所示，结果发现：由于Yb 3+的引入，Er37Yb3+:GGG晶体在900? llOOnm波段具有强烈的吸收，吸收波段很宽，其中峰值波长972nm，与980nm商业二极管 泵浦波长匹配，适合作为泵浦波长。随后，测试了 Er，Yb:GGG晶体在972nm泵浦下的中红 外波段的荧光光谱，主要出现2个荧光发射波段，峰值波长分别为2640nm和2820nm，对 应Er 3+:4I11/2 - 4113/2。加工出尺寸为3X3X5mm的优质Yb，Er，Eu:LYSGG晶体器件，镀膜， 采用970nm激光二极管作为泵浦源，进行激光实验。实验装置如附图3所示。结果表明： Yb，Er，Eu: LaYSGG是一种非常有前途的可实现2. 7?2. 8 μ m波段高效中红外激光输出的激 光晶体材料。
【权利要求】
1. 一种中红外激光晶体Yb，Er，Eu:LaYSGG，其特征在于：晶体的化学式为Yb3+，Er3+，Eu 3 ? LagwYg-gwScgGagC^，分子式 YbgxErgyEugzLagwYgG-x-y-z-wjScgGagOu，式中 0〈x，y，z，w〈l ;其中 Yb、 Er3+、Eu3+和La3+都是取代晶体中十二面体中心位置的Y 3+，Yb3+的掺杂浓度为l-5at%，Er3+ 的掺杂浓度为10?50at%，Eu3+的掺杂浓度为0· l_5at%，La3+的取代浓度为l-10at%。
【文档编号】H01S3/16GK104152998SQ201410400312
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】王燕, 涂朝阳, 游振宇, 李坚富, 朱昭捷, 徐金龙 申请人:中国科学院福建物质结构研究所