專利名稱：一種共摻鉻和銩敏化離子的鉺離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光晶體材料領域。
背景技術：
2.6 3.0um波段的激光在大氣遙感、紅外激光雷達、激光醫療和國防安全 等領域具有廣闊應用前景，特別是3.0um 5.0um波段的中紅外激光，是目前 最缺乏和最急需的光源波段之一，它在國防和民用上都有著廣泛的應用，在國 防安全和環保上，由于該波段或是位于大氣的傳輸窗口，是光電對抗和反導中 必須依靠和應用的干擾源；因為是處于"分子指紋"區的緣故，還可以用來遠 距離探測化學物質，在反化學戰和環境保護中起到關鍵性的作用。
Er3+離子激活的激光晶體均可產生相應于4111/2—4113/2躍遷的2. 6 3. 0 li m波 段的激光發射。目前，已有報道采用氙燈泵浦Er:Y3Al5012 (YAG)激光晶體可以 在2. 940um波段產生3. 8W(10Hz, 380mJ)的激光輸出，在市場上己經商業化。在 1994年德國Bradley. J報道了采用 970nm波段的LD激光泵浦Er3+:YAG、 Er3 +丄(1^&012和Er:Y3Sc2Ga3012 (YSGG)激光晶體，分別在2.937um、 2.821um和 2.797um波段實現了 143mW、 155mW和190mW的激光輸出，斜率效率分別為27%、 26%和31%。
共摻Cr3+敏化離子不僅可以提高泵浦效率，還可以擴展晶體的可調諧激光波 段。另外，由于Er"的4113/2—4115/2躍遷產生1.54um激光，與％1/2—4113/2躍遷產生2. 6 3. 0 u m激光形成強烈的競爭，使得2. 6 3. 0 u m波段的激光閾值很高， 轉換效率很低，然而當共摻Tm3+敏化離子時，可以減小Er3+激光下能級4ln,2的壽 命，抑制E,離子產生1. 54um激光4113/2—4115/2躍遷的競爭，從而有利于2. 6 3.0um波段激光的輸出，大大地提高了量子效率(具體的敏化機理如附圖1所 示)。
Gd3Ga5(^(GGG)屬于立方晶系，晶胞參數為a= 12. 38A, ^8， Dc=7. 083g/cm3。 釓鎵石榴石Gd3GaA2(GGG)是一種優秀的激光基質材料，作為激光基質材料，它 具有以下許多優點高的熱導率(8 Wm—10、低的熱光效應、較低的聲子能量、 可以采用熔體提拉法生長大尺寸的晶體、具有良好的物化性能，不溶于強酸強 堿，硬度高，激光損傷閾值高、對于稀土摻雜離子，在相應的泵浦波長處具有 較大的吸收截面，并具有較大的發射截面、具有高的熱容，因此可以應用于高 功率熱容激光器、具有較低的熔點，約為1725。C，(例如比YAG低200。C)。 與YAG和YSGG晶體相比較，稀土激活的Gd3GaA2晶體具有以下的一些優點(1) 采用提拉法生長的Nd:Gd3Ga必2晶體，容易實現平界面生長，不會產生由雜質、 應力等引起的核心，整個橫截面都可以有效利用，有利于獲得大直徑晶體元件。 (2)它的熱容比YAG和YSGG高，是目前唯一可以應用于高功率熱容激光器的 激光基質材料。(3) GdsGaA2的聲子能量較低(約為500 600cnf1),這有利于 減少激光晶體的無輻射躍遷幾率，從而增加激光發射功率和效率，對于 3um波 段激光具有高的量子效率；(4) GGG晶體的熔點較低(約為1725°C)，比YAG和 YSGG約低20(TC，有利于晶體的生長；(5) Gd的半徑比Y離子大，容易進行稀土離子的摻雜，有利于生長高質量的晶體；(6)由于YSGG所用的SC203價格較昂 貴，成本較高，因此與YSGG相比較，GGG激光晶體的成本較低，并且熱導率也比 YSGG高。 '
Nd:Gd3Ga5012作為一種優秀的固體熱容激光工作介質，近年來已經引起了國 內外的廣泛關注。目前，在國際上，向美國利夫莫爾國家實驗室提供晶體的公 司生長的晶體尺寸已經達到4)100 4)150mm" "，在2003年，美國實驗室采用 LD泵浦的Nd:Gd3GaA2激光器激光輸出的平均功率突破了 IOKW，在2004年則達 到了 30KW，其近期的目標是達到IOOKW。在國內，中科院安徽光學精密機械研 究所等幾個單位也投入了大量的人力物力進行研究，目前生長的晶體尺寸已經 達到4)80mm，采用激光二極管陣列泵浦下，實現了重復頻率為50Hz，平均功率 高于3500瓦的激光輸出。
顯然地，GGG是一種優良的激光基質晶體。由于E,的4113/2—4115/2躍遷產生 1.54um激光，與4111/2—4113/2躍遷產生2.6 3.0um激光形成強烈的競爭，使得 2.6 3.0um波段的激光閾值很高，轉換效率很低，在Gd3GaA2中E +激光上 能級4iu/2的壽命和下能級4113/2的壽命與YSGG的相近，但是Gd3Ga5012中E +激 光上能級4111/2的壽命(0. 96ms)要比YAG中Er3+激光上能級4111/2的壽命(0. 12ms) 長得多，下能級4im的壽命(4.8ms)也比YAG中￡ +激光下能級4113/2的壽命 (7. 25ms)短，因此，相對于YAG, Gd3Ga5012 (GGG)晶體更適合于作為2. 6 3. 0 u m 波段的激光基質材料。
目前研究的重點主要是集中在Nd激活的GGG高功率熱容激光晶體，對于其它激活離子摻雜的Gd3GaA2激光晶體的研究較少，特別是對于Cr3+:Er3+:Tm31# 雜的Gd3Gas(^激光晶體的生長、光譜和激光性能的研究，目前國內外都尚未有研 究報道。我們生長合成的Cr3+:Er3+:Tm3+摻雜的Gd3GasO,2晶體，從測量的熒光光 譜圖(如附圖2所示)可以看到，在2. 6 3. 0 u m波段存在有2. 64 u m、 2. 70 u m、 2.79um、 2.92um等幾個強發射峰，測定的E +離子在1. 54 P m的熒光發射壽 命為4. 14ms，而Er3+: Gd3Gas(^在相應波段的熒光發射壽命為4. 8ms，可見摻雜 Tm3+離子的敏化可以抑制Er3+離子產生1. 54um激光4113/2—4115/2躍遷的競爭，有利 于2.6 3.0um波段激光的輸出，有望大大地提高量子效率。
發明內容
本發明的目的在于公開一種能夠實現2600nm 3000 nm波段可調諧激光輸 出的激光晶體材料Cr:Er:Tm:Gd3Ga5012。 實現本發明目的技術方案
一種共摻鉻和鐠敏化離子的鉺離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體，該晶 體材料的化學式為Cr:Er:Tm:Gd3Ga5012,屬于立方晶系，晶胞參數為^ 12. 38A， 鳳Dc=7. 083g/cm3。
本發明的激光晶體材料，采用4N的GdA、 Ga203 、 Er203、 Cr203、 1^203作為 原料，通過高溫固相反應獲得Cr:Er:Tm:Gd3GaA2原料，在氮氣氣氛條件下采用 提拉法生長晶體。
本發明制備的激光晶體材料用于實現2600nm 3000 nm波段可調諧激光輸出。
圖1為激光晶體材料Cr:Er:Tm:Gd3Ga;A2離子敏化機理示意圖。 圖2為激光晶體材料Cr:Er:Tm:Gd3GaA2的熒光光譜圖。
具體實施方式
-
實施例一Cr:Er:Tm:Gd3Ga5012晶體的生長制備
晶體提拉法生長所用的儀器是D幾-400的中頻提拉爐，中頻電源型號為 KGPF25-0.3-2.5。采用Pt/Pt-Rh的熱電偶和型號為815EPC的歐路表控溫。所采 用的坩堝是O55mmX30mm的銥坩堝，所用的原料是4N級的GdA、 Ga203 、 Er203、 Cr203、 Tm203。根據下列化學反應式配制原料
3Gd203 + 5Ga203 + x Er203 + y Tm203 -2 Gd3ErJmyGa5012個
x = 30at% 50at%; y = 0. 5at% 5at%; Cr203的重量是原料總重量的0. 5wt% 3wt%。把原料混合均勻，壓成片狀，置于鉑坩堝中，以150°C/h緩慢升溫到燒結 的預定溫度，重復此過程，直至X射線粉末衍射的結果不變為止。
把原料裝入O55mmX30mm的銥坩堝內，為了避免銥坩堝的氧化，首先抽出 爐子內的空氣體，使得爐子內的氣壓達到10-3pa，再把0.04MPa的氮氣充入， 然后升溫到比熔點高500C的溫度，恒溫1小時，使得原料熔化完全。在鉑-銥 絲上自然成核結晶，并開始生長。籽晶桿的提拉速率為1.3 1.5 mm/h，降溫速 率為2 10° C/h，籽晶桿的轉動速率為12 20r.p.m.，生長結束后，將晶體提 離液面，然后以10 30° C/h的速率降至室溫，得到尺寸為小20 ■ X50 ram的透 明晶體。
權利要求
1.一種共摻鉻和銩敏化離子的鉺離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體，其特征在于該晶體材料的化學式為Cr:Er:Tm:Gd3Ga5O12，屬于立方晶系，晶胞參數為a＝12.38 id="icf0001" file="A2008100713380002C1.tif" wi="3" he="5" top= "52" left = "30" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>Z＝8，Dc＝7.083g/cm3。。
2. —種權利要求1的激光晶體材料的制備方法，其特征在于采用4N的Gd203、 Ga203 、 Er203、 Cr203、 1^203作為原料，通過高溫固相反應獲得Cr :Er :Tm:Gd3Ga5012 原料，在氮氣氣氛條件下采用提拉法生長晶體。
3. —種權利要求1的激光晶體材料的用途，其特征在于該材料用于實現 2600nm 3000 nm波段可調諧激光輸出。
全文摘要
本發明涉及一種共摻鉻和銩敏化離子的鉺離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體。該晶體材料的化學式為Cr:Er:Tm:Gd<sub>3</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>。采用4N的Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Tm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>作為原料，通過高溫固相反應獲得Cr:Er:Tm:Gd<sub>3</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>原料，在氮氣氣氛條件下采用提拉法生長晶體。該材料用于實現2600nm～3000nm波段可調諧激光輸出。
文檔編號C30B29/28GK101619493SQ200810071338
公開日2010年1月6日 申請日期2008年7月3日 優先權日2008年7月3日
發明者朱昭捷, 李堅富, 涂朝陽, 游振宇, 燕 王 申請人:中國科學院福建物質結構研究所