专利名称：一种高效抗辐射激光晶体及制备方法
技术领域：
本发明属于人工晶体材料领域，具体的说是一种高效抗辐射激光晶体及制造方法。
背景技术：
在辐射环境和空间环境中应用的激光器会受到Y射线和宇宙射线等高能粒子的辐射，从而要求激光器具有抗高能射线辐射的能力，因此高效抗辐射激光材料对于辐射环境和空间环境激光技术的发展具有重要的意义。钆钪镓石榴石晶体Gd3Sc2Gii3O12(GSGG)是性能优良的激光工作基质，晶体结构属于立方晶系，可以采用熔体提拉法生长出高光学质量的单晶。aiarikov^Uharikov，et al. Effect of UV—and y-irradiation on the lasing characteristics of neodymium lasers, Bull. Acad. Sei. USSR, Phys. SHo. , 1984,48 103)等人的实验证明，Nd, Cr:GSGG 激光器在受到紫外线或IOMrad的6tlCo γ射线辐照后，其激光性能几乎不受影响，而 NchYAG(Y3Al5O12)激光器在受到IMrad的、射线辐照后，其激光输出下降了一个数量级。 我们的6tlCo Y射线辐照实验也证明了 GSGG基质优良的抗辐射性能。文献(Y.N.Xu，et al. Electronic structure and bonding in garnet Gd3Sc2Ga3O12, Gd3Sc2Al3O12 and Gd3Ga5O12 compared to Y3Al5O12, Physical Review B, 2000,61 :1817)对GSGG 晶体抗辐射机制的研究认为，位于八面氧配位体中心的&原子与GGG、YAG晶体中相同位置的( 和Al原子相比， 具有较高的共价特点及键的有序性，使抵抗色心形成的能力增强，是GSGG晶体具有强抗辐射能力的主要原因。Ho3+离子的5I7至\能级跃迁产生的2. 0 μ m激光在医学上已得到广泛的应用，而 Ho3+离子的5I6至5I7能级跃迁产生的2. 9 μ m附近的激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用前景。但在单掺Ho3+的激光材料中，由于Ho3+的高效吸收带与闪光灯及目前发展成熟的LD激光波长不匹配，因此泵浦效率较低。为了提高泵浦效率，通常采用掺入敏化剂的方法，如适合用闪光灯泵浦Cr，Tm共掺敏化(D. A. Zubenko, Interionic interactions in YSGGCrTm and YSGGCrTmHo laser crystals, Sov. J. Quantum Electron. ,1992, 22 133)或 Cr，Yb 共掺敏化(Α. F. Umyskov, et al, Efficient 3-μ mCr3+:Yb3+:Ho3+:YSGG crystal laser, Quan. Electron.，1996，26 :711)，采用适合半导体激光器泵浦的 Yb3+离子敏化(A. Dieninga, Spectroscopy and diode-pumped laser oscillation of Yb3+, Ho3+-doped yttrium scandium gallium garnet, J Applied Physics,2000,87 :4603),其中离子吸收的能量转移给Ho3+离子，由于离子在中心波长为940nm、970和980nm 波段有非常强的吸收，因此，用对Ho3+进行有效的敏化，可以提高泵浦效率，同时中心波长为940nm、970和980nm的LD激光器是发展成熟的半导体激光器，用其作为泵浦源，为％， HoiGSGG实现较高功率激光输出创造了条件。Yb,Ho:GSGG晶体可采用中心波长在940nm、970和980nm的半导体激光泵浦，能大大降低激光器的复杂程度，有利于设备小型化，这对于在辐射环境和空间环境中的应用是非常重要的。由于基质GSGG本身具有抗辐射功能，所以％，HoiGSGG晶体是一种高效抗辐射的激光材料，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。在上世纪七八十年代，由于当时^2O3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，^2O3的价格有了较大幅度的降低。所以，近些年来，国外含钪石榴石晶体的研究又重新兴起，尽管如此，据检索，目前国内外都还没有关于％，HoiGSGG激光晶体的研究报道。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种能够在2. 9 μ m波段附近实现高效激光输出的抗辐射％，Ho:GSGG激光晶体及其制备方法。本发明的技术解决方案一种高效抗辐射激光晶体，所述晶体的化学式为％3+， Ho3+= Gd3Sc2^i3O12，分子式为 Yb3xHo3yGd3(1_x_y)Sc2(}a3012，其中 O < χ < 1，0 < y < 1，Yb3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量转移给Ho3+离子，通过Ho3+离子的5I6至5I7能级间跃迁，可以实现2. 9 μ m附近波长激光输出。所述分子式％3xHO3yGd3(1_x_y0C2Ga3O12中，Yb3+离子的掺杂浓度范围是 5at% -20at%，即 0. 05 < χ < 0. 2 ；Ho3+离子的掺杂浓度范围是 0. 5at% _5at%，即 0. 005 < y < 0. 05，其中at%表示原子百分比。所述激光晶体以抗辐射晶体GSGG为基质。所述晶体使用中心波长在940nm、970nm或980nm附近的25W的较大功率的半导体
激光器作为泵浦源。本发明提供一种高效抗辐射敏化Ho3+离子的钆钪镓石榴石激光晶体(简称 Yb, Ho:GSGG)，该晶体结构属于立方晶系，可以采用熔体提拉法生长出高光学均勻性的单晶。GSGG含钪石榴石晶体是一种强的抗辐射材料，比YAG更适合在空间环境中使用。由于 Yb3+离子在940nm、970和980nm有非常强的吸收，而这些波长的高功率半导体激光器已发展的较为成熟，因此，用对Ho3+进行有效的敏化，将吸收的能量转移给Ho3+离子，可达到提高对泵浦光吸收效率，提高输出功率及实现激光器结构紧凑、小型化的目的。因此，％， HoiGSGG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％，Ho:GSGG 晶体产生的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前景。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。本发明的高效抗辐射激光晶体的制备方法，采用下述方法之一实现①固相法或液相法制备多晶原料按照下列化学反应式3xYb203+3yHo203+3 (Ι-χ-y) Gd203+2Sc203+3Ga203 = 2Yb3xHo3yGd3(1_x_y)Sc2Gei3O12，其中 χ =0. 05-0. 2, y = 0. 005-0. 05,通过固相反应法或液相法(共沉淀法或溶胶-凝胶法)制得％，Ho:GSGG多晶原料；②熔体法生长单晶使用上述固相法或液相法制备的％，Ho:GSGG多晶原料，采用熔体法制备％， Ho:GSGG 单晶。本发明与现有技术相比的优点在于本发明由于Ho3+离子的掺杂浓度较低(0. 5-5at% )，因而晶场的调制能力较强，可以通过改变晶体中Ho3+离子的掺杂浓度，获得在2. 8-3 μ m间不同峰值发射波长的晶体，如2. 911 μ m。本发明的％，Ho:GSGG晶体可采用半导体激光器实现高效泵浦，光光转换效率能达到30%以上。
具体实施例方式实施例1 生长 Yb3+ 的浓度为 IOat %，Ho3+ 浓度为 Iat % 的 Gd2.67Yb0.3Ho0.03Sc2Ga3012 晶体Yb, Ho:GSGG晶体是指％3+的掺杂浓度在5-20at%之间，Ho3+离子的掺杂浓度在0. 5_5at%之间。本实施例中的浓度为IOat%，Ho3+浓度为Iat%，即χ = 0. 1，y =0. 01。将氧化物原料按化学反应式 3xYb203+3yHo203+3Gd203+3k203+2fei203 = 2Gd3(1_x_y) YbJfo3ySc2fei3012 (其中x = 0. l,y = 0. 01)称取，均勻混合并压块，使用固相法在1300°C烧结48小时，可得到％，Ho:GSGG多晶原料。把600克％，Ho:GSGG多晶原料装入直径60mm 的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(l_5Pa)后充入氮气作为保护气体，用GSGG做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速l_2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径25mm等径长度80mm的％，Ho GSGG单晶。实施例2 生长的浓度为20at %, Ho3+浓度为0. 5at %的 Gd2. s85Yb0. 6Ho0. Q15Sc2Ga3O12 晶体Yb, Ho:GSGG晶体是指的浓度在5_20at %之间，Ho3+离子的掺杂浓度在 0. 5_5at%之间。本实施例中的浓度为20at%，Ho3+浓度为0. 5at%，即χ = 0. 2，y =0. 005。将氧化物原料按化学反应式 3xYb203+3yHo203+3Gd203+3k203+2fei203 = 2Gd3(1_x_y) %3xHo3ySc2fei3012 (其中χ = 0. 2，y = 0. 005)称取，将称取的氧化物分别用HNO3溶解后均勻混合，用液相共沉淀的方法将混合溶液与氨水共滴定，保持PH值在12左右，经共沉淀后的混合液，用离心机离心得到凝胶状前驱物，经洗涤，烘干，最后在1000°C烧结12小时可获得 Yb,Ho:GSGG多晶原料。把600克％，HoGSGG多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(l_5Pa)后充入氮气作为保护气体，用GSGG做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速l-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径25mm等径长度 80mm 的 Yb，Ho GSGG 单晶。实施例3 生长 Yb3+ 的浓度为 8at%，Ho3+ 浓度为Gd2.7YbQ.mHoq. ^c2Gei3O12 晶体Yb, Ho:GSGG晶体是指的浓度在5_20at %之间，Ho3+离子的掺杂浓度在 0. 5_5at%之间。本实施例中的浓度为8at%，Ho3+浓度为2at%，即χ = 0. 08，y = 0. 02。用溶胶-凝胶法制备多晶原料，将氧化物原料按化学反应式3db203+3yHo203+3Gd203 +3Sc203+2Ga203 = 2Gd3(1_x_y)Yb&Ho3ySc2(}a3012 (其中 χ = 0· 08，y = 0. 02)称取，其中 Ga2O3 用 Ga的醇盐替代，将称取的其它氧化物分别用HNO3溶解后与( 的醇盐溶液均勻混合成溶胶， 静置M小时成凝胶，经烘干，最后在1000°C烧结12小时可获得％，Ho:GSGG多晶原料。把 600克％，Ho:GSGG多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(l_5Pa)后充入氮气作为保护气体，用GSGG做生长籽晶，籽晶转速为5_10转/分钟，生长拉速l_2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径25mm等径长度80mm的％，HoiGSGG单晶。
权利要求
1.一种高效抗辐射激光晶体，其特征在于所述晶体的化学式为Yb3+， Ho3+= Gdfc2Ga3O12，分子式为 Yb3xHo3yGd3 (1_x_y)Sc2(}a3012，其中 0<x<l，0<y<l。
2.根据权利要求书1所述的高效抗辐射激光晶体，其特征在于所述分子式 Yb3xHo3yGd3(1_x_yAc2G￡i3012 中，Yb3+离子的掺杂浓度范围是5at% -20at%,BP 0. 05 < χ < 0. 2 ； Ho3+离子的掺杂浓度范围是0. 5at% _5at%，即0. 005 < y < 0. 05，其中at%表示原子百分比。
3.根据权利要求书1所述的高效抗辐射激光晶体，其特征在于所述激光晶体以抗辐射晶体GSGG为基质。
4.根据权利要求书1所述的高效抗辐射激光晶体，其特征在于所述晶体使用中心波长在940nm、970nm或980nm附近的25W的较大功率的半导体激光器作为泵浦源。
5.按照权利要求1所述的高效抗辐射激光晶体的制备方法，其特征在于采用下述方法之一实现①固相法或液相法制备多晶原料按照下列化学反应式3xYb203+3yHo203+3 (Ι-χ-y) Gd203+2Sc203+3Ga203 = 2Yb3xHo3yGd3(1-x-y)Sc2Ga3O12,其中 χ = 0. 05-0. 2，y = 0. 005-0. 05，通过固相反应法或液相法制得Yb, Ho:GSGG多晶原料；②熔体法生长单晶使用上述固相法或液相法制备的％，Ho:GSGG多晶原料，采用熔体法制备％，HoiGSG
全文摘要
本发明涉及一种高效抗辐射Yb3+敏化的掺Ho3+钆镓钪石榴石激光晶体，属于人工晶体材料领域。该晶体的化学表达式为Yb3+，Ho3+:Gd3Sc2Ga3O12(可简写成Yb，Ho:GSGG)，Yb3+和Ho3+都是取代晶体中氧十二面体中心位置的Gd3+，Yb3+作为敏化离子能将吸收的泵浦光能量转移给Ho3+离子，通过Ho3+离子的5I6至5I7能级间跃迁，可以实现高效LD泵浦的2.9μm附近波长激光输出。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。由于本发明的Yb，Ho:GSGG激光晶体具有抗高强度γ射线和其它射线辐射的能力，因此，除可满足地面应用的要求外，还可以满足辐射环境和空间环境应用的需要。
文档编号C30B27/02GK102277620SQ20111021884
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者刘文鹏, 孙敦陆, 张庆礼, 李为民, 殷绍唐, 江海河, 秦清海, 罗建乔, 谷长江, 韩松 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院