一种复合晶体、其制备方法及作为固体激光材料的应用与流程

本申请涉及一种复合晶体、其制备方法及作为固体激光材料的应用，属于激光晶体器件领域。

背景技术：

随着激光器件的发展，研制与泵浦相适应的具有新的激光波长、更高的激光效率、更适合于调模、锁模和倍频输出等功能的低成本新型激光工作物质，以实现工业化生产。这项工作的研发和开展在基础研究和实际应用上都具有重要意义。一种优良的激光工作物质应该具有以下几个特点：(1)良好的物理化学性能：要求热膨胀系数小，弹性模量大，导热率高，化学价态和结构组分稳定，还要具有良好的光照稳定性。还要求能够容易制得大尺寸、光学均匀性良好的单晶，以易于加工。(2)优良的荧光和激光性能：为了获得较小的阈值和尽可能大的激光输出能量，一般要求材料在光源辐射区交界有较强的有效吸收，而在激光发射波段上应无光吸收。具有强荧光辐射，高量子效率，适当的荧光寿命和受激发射截面等性能。(3)优良的光学均匀性：晶体内的光学不均匀性不仅会使光通过介质时的波面变形，产生光差，而且还会使振荡阈值升高、激光效率下降，光束发散度增加。晶体的静态光学均匀性好，即要求内部很少有杂质颗粒、包裹物、气泡、生长条纹和应力等缺陷，折射率不均匀性尽量的小。晶体的动态光学均匀性好，就要求该材料在激光的作用下，不因热和电磁场强度的影响而破坏晶体静态光学均匀性。激光晶体还必须具有良好的热稳定性。激光器在工作时，由于激活离子的无辐射跃迁和介质吸收光泵的一部分能量而转化为热能，同时由于吸热和冷却条件不同，在激光棒的径向就会出现温度梯度，从而导致晶体光学均匀性降低。

随着ld波段范围的扩展和输出功率的提高，使固体激光材料的研究和探索出现了新的高潮。人们目前正在寻找更多的适合ld泵浦的新型固体激光材料，有些材料在固体激光发展初期已进行过研究，如磷灰石结构晶体，但在灯泵时期由于存在某些缺陷，如难以获得大尺寸、导热性差等，不能与yag、红宝石等竞争而被放弃。ld泵浦的激光晶体尺寸可以只是灯泵所用的1/20或更小，由于光谱匹配好，泵浦效率高，热效应也大大减小，因而使得激光晶体获得新生。nd:yag是最成熟的固体激光材料，目前对其它各种材料的评价一般都与nd:yag进行比较。nd:yag属立方结构，其绝大多数光学性质为各向同性；荧光线窄，增益高，阈值低；机械强度高，导热性好，具有良好的光学质量。主要缺点是nd离子浓度掺杂过高时会发生浓度淬灭。

yvo4晶体作为一种优良的激光晶体从60年代以来就吸引了人们的注意，它具有锆石结构，空间群为d194h-i4/amd。在400～5000nm范围内都有很高的光学透光度，它有着优异的机械性能、优良的化学稳定性和高的激光损伤阈值((3.3±0.4)gw/cm²)，是一种优良的激光基质材料。由于纯yvo4晶体具有好的热稳定性和机械特性，高的双折率，透明波段范围大，并可生长出光学均匀性好的大块晶体。因此，纯yv04晶体被认为是一种从可见光到近红外区的理想的光学偏振元件材料。而yv04除了以上提及的优点外，还具有不易吸水，容易加工镀膜的性能特点，因此它有巨大的潜在竞争能力。国内自1997年起已经大批量地提供纯yv04晶体，用于1.3μm光纤通讯中的光隔离器中作偏振楔形物以及红外偏振器，光分裂器等器件中。

掺钕钒酸钇(nd:yvo4)晶体也具有锆石型结构，空间群同为d149h-i41/amd。具有较高的激光增益值，较宽的吸收带，极好的透过率和在近红外处具有较大的双折射值。作为激光基质材料，该晶体以其泵浦阈值低、激光发射截面大、可实现1.34μm和1.06μm激光连续运转等优点，由于nd³⁺:yvo4晶体的热传导率比较低，使其在激光器领域的应用受到一定程度的限制，但是它对ld的泵浦光有较高的吸收系数和宽的吸收峰，仍然成为制造ld泵浦的中小功率激光器的首选激光晶体。ld泵浦的nd³⁺:yvo4激光器及其倍频的红光和绿光激光器已逐步代替nd:yag而广泛地使用在通讯、激光印刷、激光光盘、医药、r&d(研究与发展)以及许多其他的应用中。nd:yvo4与nd:yag相比，nd:yvo4有许多独特的优点。在泵浦的众多激光晶体中，它是nd:yag的有力竞争者。nd:yvo4晶体是锆英石结构，属四方晶系，是单轴晶体。在a轴切割时其π偏振(e||c)和σ偏振(e⊥c)的光谱特性具有明显差异，其最强吸收和最强辐射都发生在π偏振取向。nd:yvo4激光器输出π偏振，有利于腔内倍频效率的提高。nd:yvo4可以允许比nd:yag掺入更多的nd离子而不发生浓度淬灭效应，在808nm附近的吸收系数能够达到nd:yag的3～15倍，有非常宽的吸收带。nd:yvo4晶体在1.06μm和1.34μm波长处都具有较大的受激发射截面。在1.34μm处，nd:yvo4受激发射截面σ约为nd:yag的四倍。在1.34μm处，nd:yvo4受激发射截面远高于nd:yag。nd:yvo4的主要缺点是热导率低，具有较为完善的解理面，机械性能也不如nd:yag好，在高功率下受到很大限制。

目前还没有相关专利和文献资料报道基于布儒斯特角胶合的yvo4和nd³⁺:yvo4的复合晶体用于高效输出1066nm偏振激光的相关报道。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供一种复合晶体，通过将激光晶体与掺杂了镧系元素的激光晶体复合，使一块晶体同时兼具激光晶体与掺杂了镧系元素的激光晶体优点，并实现某种特定波长偏振光的输出。

所述复合晶体包括c轴切割的激光晶体i和c轴切割的激光晶体ii；所述c轴切的激光晶体i和c轴切割的激光晶体ii基于布儒斯特角切割后经组合，得到所述复合晶体。

布儒斯特定律(brewsterlaw)：当光从介质a(折射率为na)射入介质b(折射率为nb，且nb>na)时若入射角为arctan(nb/na)，则反射光是线(面)偏振的，而其偏振面与入射面平行，此时入射角就称为布儒斯特角或起偏角。入射角是布儒斯特角时，折射入媒质b的光线与反射回媒质a的光线成90°。即反射光与折射光互相垂直时，反射光成为光振动方向与入射面垂直的线偏振光。最常见的媒质a为空气，故na≈1，于是起偏角为arctannb。当入射角与折射角之和等于90°。

优选地，所述激光晶体ii是掺杂了镧系元素的激光晶体i。进一步优选地，所述镧系元素选自nd、eu、yb、tb中的至少一种。

作为本申请的一种实施方式，所述激光晶体i是钒酸钇晶体；所述激光晶体ii是掺钕钒酸钇晶体。所述复合晶体是钒酸钇晶体yvo4和钕钒酸钇晶体nd³⁺:yvo4的复合晶体，该复合晶体将掺钕钒酸钇激光晶体原本只能输出1066nm的圆偏振光转变为偏振光输出。根据布儒斯特定律，采用布儒斯特角(英文为brewster’sangle)胶合的前段为纯钒酸钇，后段为掺钕钒酸钇的激光复合晶体，从而实现1066nm偏振光的高效输出。

所述钒酸钇晶体yvo4和掺钕钒酸钇晶体nd³⁺:yvo4均具有四方相锆英石结构，属于单轴晶系，空间群为i41/amd(d¹⁹4h)。yvo4晶体的每个晶胞中有24个原子，1个v原子位于4个o原子形成的四面体中心，1个y原子被8个氧原子包围，8个氧原子构成2个畸形的四面体；4个yvo4非对称单元构成一个四方单胞，其中，yo8十二面体和vo4四面体以共边方式交替连接，沿c轴方向形成直链。yo8十二面体中的两条棱与vo4四面体共用，且两条棱互相垂直。nd³⁺:yvo4中，掺杂的nd³⁺替代y³⁺的晶格位置。

优选地，掺钕钒酸钇晶体中钕的掺杂浓度为0.001％～1％。进一步优选地，掺钕钒酸钇晶体中钕的掺杂浓度为0.01％～0.5％。

所述掺杂浓度＝nd的摩尔数÷(nd的摩尔数+y的摩尔数)×100％。

优选地，所述钒酸钇晶体yvo4和钕钒酸钇晶体nd³⁺:yvo4的复合晶体在808nm光泵浦下输出1066nm偏振激光。

所述复合晶体由一段c轴切割的激光晶体i和一段c轴切割的激光晶体ii组成；或者

所述复合晶体由多段c轴切割的激光晶体i和多段c轴切割的激光晶体ii组成。

作为一种实施方式，所述复合晶体由一段c轴切割钒酸钇晶体和一段c轴切割掺钕钒酸钇晶体组成。

作为一种实施方式，所述复合晶体由两段c轴切割钒酸钇晶体和一段c轴切割掺钕钒酸钇晶体组成；c轴切割掺钕钒酸钇晶体两端分别与c轴切割钒酸钇晶体粘接。

根据本申请的又一方面，提供上述任一复合晶体的制备方法，其特征在于，将c轴切割的激光晶体i和c轴切割的激光晶体ii基于布儒斯特角切割后通过光胶、胶合、键合中的至少一种方式进行组合。

作为一种实施方式，所述c轴切割的激光晶体i和c轴切割的激光晶体ii基于布儒斯特角切割后通过光胶方式粘接，通光面上镀有增透膜。优选地，当激光晶体i是c轴切割钒酸钇晶体、激光晶体ii是c轴切割掺钕钒酸钇晶体时，所述增透膜选自氟化镁、氧化钛、硫化铅、硒化铅、乙烯基倍半硅氧烷杂化膜、氟化镁镀制增透膜中的一种。

优选地，根据分子引力理论以及光胶面的相对面形误差n≤(1-2)光圈时即可进行光胶的原理，对c轴切割的激光晶体i和c轴切割的激光晶体ii的接触面进行点胶、光胶成盘细磨、抛光和加工成型。

作为一种实施方式，所述c轴切割的激光晶体i和c轴切割的激光晶体ii基于布儒斯特角切割后采用折射率匹配的胶水进行粘接。优选地，当激光晶体i是c轴切割钒酸钇晶体、激光晶体ii是c轴切割掺钕钒酸钇晶体时，所述胶水选自环氧树脂胶、紫外光化胶中的一种。

根据本申请的又一方面，提供上述任一复合晶体、根据上述任一方法制备得到的复合晶体作为固体激光材料的应用。

作为一种实施方式，所述固体激光材料在808nm光泵浦下输出1066nm偏振激光。

本申请所提供技术方案的有益效果包括但不限于：

(1)本申请所提供的复合晶体，通过将激光晶体与掺杂了镧系元素的激光晶体复合，使一块晶体同时兼具激光晶体与掺杂了镧系元素的激光晶体优点，并实现某种特定波长偏振光的输出。

(2)本申请所提供的复合晶体，当激光晶体i是c轴切割钒酸钇晶体、激光晶体ii是c轴切割掺钕钒酸钇晶体时，可将掺钕钒酸钇激光晶体原本只能输出1066nm的圆偏振光转变为偏振光输出，从而实现1066nm偏振光的高效输出。

附图说明

图1是样品1^#的结构示意图及光线示意图；其中(a)是样品1^#的结构示意图，(b)是入射光线照射接触面的局部放大图。

图2是样品2^#的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

实施例中，c轴切割钒酸钇(yvo4)晶体...，

实施例中，c轴切割的掺钕钒酸钇(nd:yvo4)晶体从福建福晶科技股份有限公司采购，其中nd³⁺离子掺杂浓度为0.1％。

实施例中，采用北京凯普林公司的808nm1w半导体激光器。

实施例1

激光晶体i：采用c轴切割钒酸钇(yvo4)晶体，尺寸3×3×10mm；

激光晶体ii：采用c轴切割的掺钕钒酸钇(nd:yvo4)晶体，尺寸3×3×20mm，nd:yvo4中nd³⁺离子掺杂浓度为0.1％。

c轴切割钒酸钇(yvo4)晶体与c轴切割掺钕钒酸钇(nd:yvo4)晶体基于布儒斯特角切割后，采用光胶法进行胶合，具体步骤为：

对晶体切割端面进行抛光，保证平面度低于1/10waveat633nm，将抛光好的晶体对准贴后，放入烘箱中加热至80摄氏度并保温1小时即得到复合晶体，记为样品1^#。

样品1^#的结构示意图如图1(a)所示，样品1^#由一块c轴切割钒酸钇(yvo4)晶体与一块c轴切割掺钕钒酸钇(nd:yvo4)晶体组成，c轴切割钒酸钇晶体和c轴切割掺钕钒酸钇晶体结合的面为接触面，接触面与c轴切割掺钕钒酸钇晶体底面的夹角为56°。入射光线从c轴切割yvo4晶体经接触面进入c轴nd:yvo4晶体；入射光线照射接触面的局部方大如图1(b)所示，图中ia为布儒斯特角，角度为34°；反射光与折射光的夹角为90°。

样品1^#采用808nm半导体激光器进行泵浦，得到1066nm线偏振激光激光，输出功率为300mw。

实施例2

激光晶体i、激光晶体ii与实施例中一样，不同之处在于，采用两块c轴切割钒酸钇(yvo4)晶体、一块c轴切割掺钕钒酸钇(nd:yvo4)晶体，并采用键合方式进行组合，具体步骤为：

.对掺钕钒酸钇(nd:yvo4)晶体的两个切割端面及钒酸钇晶体的切割端面进行抛光，保证平面度低于1/10waveat633nm，将抛光好的晶体对准贴后，放入烘箱中加热至80摄氏度并保温1小时.，即得到复合晶体，记为样品2^#。

样品2^#的结构示意图如图2所示，样品2^#由两块c轴切割钒酸钇(yvo4)和一块c轴切割掺钕钒酸钇(nd:yvo4)晶体组成。c轴切割钒酸钇晶体和c轴切割掺钕钒酸钇晶体结合的接触面，与c轴切割掺钕钒酸钇晶体底面的夹角同实施例1。入射光线从c轴切割yvo4晶体经接触面进入c轴nd:yvo4晶体，图中布儒斯特角ia的度数同实施例1。

样品2^#采用808nm半导体激光器进行泵浦，得到1066nm线偏振激光，输出功率为300mw。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。