专利名称：自调制激光晶体Cr的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种新型的自调制激光晶体Cr4+，Yb3+Y3Al5O12(YAG)。
早在1983年，中国电子工业部11所的桂尤喜、冀天来等人就在色心NdYAG晶体中发现了可饱和吸收现象，并成功研究和开发出色心NdYAG调制器和色心NdYAG自调Q激光器，研究成果可参阅激光与红外，10(1983)P.25～38。1988年，苏联科学家B.Angert等人在Cr4+YAG晶体中获得1300-1500nm可调谐的Cr4+激光输出，发表在Sov.J.Quantum Electron.Vol.18，No.1(1988)P.73-74。同时Cr4+YAG晶体作为一种性能优良的可饱和吸收体，被广泛用作被动调Q开关。并由此确认我国电子工业部11所发明的色心NdYAG晶体就是Cr4+，NdYAG晶体，具有自调Q特性。
Yb3+YAG晶体是一种用于LD(激光二极管)泵浦高功率激光晶体，它具有荧光寿命长(1.2ms)、无浓度猝灭、上转换和激发态吸收，材料热效应低(为NdYAG的1/4)，900～1100nm宽带吸收、光转换效率高达70％等优点。美国Lawrence Livermore NationalLaboratory(LLNL)实验室、林肯实验室和德国Stuttgart大学纷纷展开研究，参阅文献Appl.Phys.B.58(1994)365-372。1991年林肯实验室P.Lacovara等人首次采用InGaAs半导体激光泵浦Yb3+YAG获得1.030mm室温激光输出，光斜率效率＞25％，参阅文献Optics Letters，Vol.16，No.14(1991)P.1089～1091。随着InGaAs半导体激光器或列阵成本的降低，LD泵浦Yb3+YAG激光器将会商品化。
综上所述，目前仅有的自调Q激光基质晶体是Cr4+，Nd石榴石(YAG，GSGG等)，但考虑到在这一晶体中，Nd3+的掺杂浓度低，对应的Cr4+离子的浓度调节范围窄，同掺Nd3+，Ca2+，Cr4+等离子晶体生长困难，器件结构和输出特性受到限制，有必要寻找另外的性能更好的自调Q激光材料。Yb3+，Cr4+YAG作为一种新型的自调Q激光晶体材料，可以克服以上缺点。
本发明的目的在于寻找一种新型的自调制激光基质晶体Cr4+，Yb3+YAG，它不仅可高掺杂，而且生长容易。可直接采用InGaAs半导体激光泵浦，在不外加调制元件(如LiF色心、染料和主动调制)的情况下，实现自调Q1.030mm激光输出。
本发明的关键技术是在YAG晶体基质中同时产生Yb3+和Cr4+离子，用Cr4+离子的可饱和吸收特性对Yb3+的1.030mm激光实现自调Q。
本发明提出在YAG晶体生长配方中分别掺入Yb2O3，Cr2O3和CaO(或Mg)等三种合适比例成分原料，其中Ca2+(或Mg2+等)离子作为补偿离子，这样在YAG晶体中就能实现Yb3+和Cr4+离子同时共存。
本发明的Cr4+，Yb3+Y3Al5O12晶体的原料配方为
其中x＝0.1～0.25，y＝0.001～0.01，z＝0.001～0.01。
本发明所用的提拉法(Czochralski)生长Cr4+，Yb3+YAG晶体的装置为普通的中频感应加热单晶炉。它包括铱(Ir)坩埚、真空系统、中频感应发生器电源和温控系统等部分。
Cr4+，Yb3+YAG晶体生长工艺流程如下首先将Al2O3、Y2O3、Yb2O3、Cr2O3和CaO(或Mg)高纯度粉料按上述比例配比称量，在混料机中机械混合后，用压料机压块成形，在1200℃以上高温烧结预先化学合成后，装入铱坩埚中，炉内用机械泵和扩散泵抽高真空至10-5torr，充入一定压力的高纯氩气(或含1％左右氧气)。升温至晶体熔点(1940℃)，待料熔化后，以籽晶引晶，从熔体表面缓慢提拉晶体，晶体转速为10～30rpm，拉速为0.5～2mm/hr，生长晶体后，缓慢降温至室温。
将以上晶体经X光定向切割，样品表面经粗、细磨和抛光，使样品表面具有良好的光洁度，测量晶体的光谱特性。
晶体的吸收光谱测量所用仪器是PERKIN-ELMER1-9UV/VIS/NIR型分光光度计。图1是Cr4+，Yb3+YAG晶体的吸收光谱，与单掺Cr4+和单掺Yb3+的YAG吸收光谱比较于图2和图3。图1中曲线1为Cr3+离子的主吸收，曲线2为Yb3++Cr4+离子的主吸收。图2是单掺Cr4+离子(Cr掺杂浓度与图1相同)的Cr4+YAG晶体室温吸收光谱，其中曲线3为Cr3+离子的主吸收，曲线4为Cr4+离子的主吸收。图3是单掺Yb3+离子(Yb掺杂浓度与图1相同)的Yb3+YAG晶体室温吸收光谱。
Cr4+，Yb3+YAG晶体的发光光谱和发光特性同Yb3+YAG晶体相当940nm吸收截面σabs＝0.8×10-20cm2，1.030um发射截面σg＝2×10-20cm2，荧光寿命τ＝1.1ms。Yb3+的发光波长1.03mm正好位于Cr4+的吸收波段内。
为了有效提高Cr4+，Yb3+YAG晶体中Cr4+离子浓度，将晶体在1000～1600℃下氧化气氛退火。
考虑到晶体调Q判据σa/σg×Ag/Aa＞1。其中Yb3+的发射截面σg＝2×10-20cm2，Ag为Yb3+的光斑面积；Cr4+的吸收截面σa＝3×10-18cm2，Aa为Cr4+的光斑面积。
对于自调Q晶体Ag＝Aa，因此σa/σg＝150＞＞1。在此情况下，Cr4+离子能有效地对Yb3+调制，即Cr4+，Yb3+YAG晶体是个优良的自调Q激光晶体。
本发明的优点是Cr4+，Yb3+YAG晶体本身掺杂Yb3+浓度可以高达1～25mol％，相对应的Cr4+离子的调节范围也可很宽，制作激光器时，器件可以做成薄片状。由于Yb3+(0.086nm)离子半径与Y3+(0.089nm)相近，晶体生长容易。Cr4+，Yb3+YAG晶体在0.9～1.1μm有宽带吸收，适宜于InGaAs半导体或TiAl2O3激光泵浦，在不外加调制元件(如LiF色心、染料和主动元件)的情况下，实现自调Q1.03μm激光输出，可使整套激光器件更加小型化、集成化和实用化。
图1是Cr4+，Yb3+YAG晶体的室温吸收光谱图2是单掺Cr4+离子(Cr掺杂浓度与图1相同)的Cr4+YAG晶体室温吸收光谱图3是单掺Yb3+离子(Yb掺杂浓度与图1相同)的Yb3+YAG晶体室温吸收光谱图中横座标为波长(Wavelength)，纵坐标为光密度(Optical Density)。
实施例1用上述的原料配比和工艺流程生长Cr4+，Yb3+YAG晶体，原料配比中取x＝0.2，y＝0.005，z＝0.005。
所以，将Al2O3，Y2O3，Yb2O3，Cr2O3，和CaO高纯原料(含量均＞99.99％)按照1∶1∶0.2∶0.005∶0.005比例配比称量，在混料机中混合24小时后，用2t/cm2的等静压力锻压成块。在1200℃温度下空气中烧结，装入铱坩埚，炉内抽真空至10-5torr后，充入1个大气压的高纯氩气。升温至1940℃，料熔化，以[111]定向的籽晶引晶，从熔体表面缓慢引上晶体，晶体转速为15rpm，拉速为1mm/hr，长完晶体后，以50℃/hr速率降温至室温。取出晶体，晶体结晶完整，Yb3+浓度均匀分布，而Cr4+浓度头部深，尾部浅。Cr4+，Yb3+YAG与Cr4+YAG，Yb3+YAG晶体的比较吸收光谱分别见图1、图2和图3。
权利要求
1.一种自调制激光晶体Cr4+，Yb3+Y3Al5O12，以Y3Al5O12(YAG)作为基质，掺杂Cr4+和Yb3+离子，其特征在于在基质Y3Al5O12中掺有补偿离子，使Cr4+和Yb3+两种离子在基质YAG中同时共存。
2.根据权利要求1的激光晶体Cr4+，Yb3+Y3Al5O12，其特征在于在基质Y3Al5O12中掺杂的补偿离子是Ca2+离子或者Mg2+离子。
3.根据权利要求1或2的激光晶体Cr4+，Yb3+Y3Al5O12，其特征在于生长晶体Cr4+，Yb3+Y3Al5O12的原料配方是
其中x＝0.1～0.25，y＝0.001～0.01，z＝0.001～0.01。
全文摘要
本发明的自调制激光晶体Cr
文档编号C30B29/10GK1191904SQ9710629
公开日1998年9月2日 申请日期1997年2月26日 优先权日1997年2月26日
发明者徐军, 邓佩珍, 周国清 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所