專利名稱：一種共摻鉻、鐿敏化離子的鈥離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光晶體材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2. 6^3. 1 μ m激光波段覆蓋了水的吸收峰O. 7 μ m附近)，因此對組織的穿透深度 淺，且對人體安全，另外可用光纖傳輸，因此成為醫(yī)療上一種很好的外科手術(shù)光源。另外，該 波段固體激光器在遙感、環(huán)境保護和光通信等方面也有著重要的研究前景，是激光測距儀、 相干多普勒測風(fēng)雷達、水蒸氣拋面差分吸收激光雷達系統(tǒng)等的理想光源。同時，它還是獲得 中遠紅外波段光學(xué)參量振蕩器的理想抽運源。因此從20世紀(jì)60年代開始，人們圍繞如何 提高2. 6 3. 1 μ m波段激光器的輸出功率和效率，從材料到器件的多方位研究。除此之外， 2. 6 3. 1 μ m波段激光在工農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟建設(shè)上也有著廣泛的應(yīng)用前景，一旦研制成功， 把所研究的晶體及其器件推向高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)市場，將產(chǎn)生非?？捎^的經(jīng)濟效益；還可以用 來遠距離探測化學(xué)物質(zhì)，在反化學(xué)戰(zhàn)和環(huán)境保護中起到關(guān)鍵性的作用。Ho3+離子5I7 — 5I8躍遷可產(chǎn)生2. 6^3. 1 μ m波段的激光。根據(jù)文獻調(diào)研，已有Ho3+ 離子激活的激光晶體上實現(xiàn)了該波段熒光，例如Ho:YAG，Ho:YAP, Ho:YLF等。如果在Ho3+ 離子激活的激光晶體上共摻入Cr3+和將大大增加泵浦源對光的吸收效率，從而有利于 提高激光的輸出功效。山東大學(xué)袁多榮報道采取燈泵方式在Cr，Yb, HoiYSGG晶體上實現(xiàn) 了 2. 84^3. 05um波段可調(diào)諧激光輸出，激光器最大輸出功率約為30mJ，輸出反射鏡的反射 率為60%，振蕩波長為2. 856，2. 892，2. 940和2. 988微米。釓鎵石榴石Gd3Gii5O12 (GGG)晶體屬于立方晶系，空間群Oh1Ma3d，晶胞參數(shù) α= 12.38λ,Ζ = 80 GGG是一種優(yōu)秀的激光基質(zhì)材料，作為激光基質(zhì)材料，它具有以下許多 優(yōu)點1.高的熱導(dǎo)率jWn^r1 ；2.低的熱光效應(yīng)備=fl .69 + Χ 10 “5 0C 一1 ；
Ul\A )3.具有較低的聲子能量；4.可以采用熔體提拉法生長大尺寸的晶體；5.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；6.對于稀土摻雜離子，在相應(yīng)的泵浦波長處具有較大的吸收截面，并具有較大的 發(fā)射截面；7.具有高的熱容，因此可以應(yīng)用于高功率熱容激光器；8.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Gd3Ga5O12晶體具有以下的一些優(yōu)點1.采用提拉法生長的GGG晶體，容易實現(xiàn)平界面生長，不會產(chǎn)生由雜質(zhì)、應(yīng)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(yīng)用于高功率熱容激光器的激光基 質(zhì)材料。3. GGG的聲子能量較低(約為500 600cm—1)，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(fā)射功率和效率，對于 2 μ m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200°C，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(zhì)量的晶體；6.由于YSGG所用的^2O3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(dǎo)率也比YSGG高。Nd:GGG作為一種優(yōu)秀的固體熱容激光工作介質(zhì)，近年來已經(jīng)引起了國內(nèi)外的廣泛 關(guān)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(jīng)達 到Φ100 ΦΙδΟπιπ/1 4)，在2003年，美國實驗室采用LD泵浦的Nd:GGG激光器激光輸出 的平均功率突破了 10KW，在2004年則達到了 30KW，2009年已經(jīng)實現(xiàn)100KW。在國內(nèi)，中科 院安徽光學(xué)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(jīng)達到Φ 120mm，采用激光二極管陣列泵浦下，實現(xiàn)了重復(fù)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(yōu)良的激光基質(zhì)晶體，但是目前研究的重點主要是集中在Nd 激活的高功率熱容激光晶體，對于其它激活離子摻雜的Gd3Ga5O12激光晶體的研究較少，特 別是對于Cr3+:%3+:Ho3+摻雜的Gd3Ga5O12激光晶體的生長、光譜性能的研究，目前國內(nèi)外都 尚未有研究報道，更未見有激光性能的研究報道。我們采用提拉法生長了尺寸達到40mm的 Cr3+:%3+:H03+摻雜的Gc^a5O12晶體，測試其稀土離子的摻雜濃度，計算其分凝系數(shù)。并測試 了晶體樣品的吸收光譜、熒光光譜和熒光衰減曲線，發(fā)現(xiàn)該晶體在450nm和654nm附近存在 強烈的吸收，非常適合氙燈泵浦；采用氙燈泵浦發(fā)現(xiàn)該晶體在^KKT3100nm之間有五個熒 光峰，峰值波長分別位于沈40，2700，2820, 2860和四20歷，熒光壽命達到毫秒量級。綜合研 究結(jié)果表明=Cr3+Ib3+ = Ho3+ = Gd3Gii5O12晶體是一種優(yōu)秀的能實現(xiàn)2. 6 μ m 3. 1 μ m波段激光 輸出的中紅外激光晶體材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開一種能夠?qū)崿F(xiàn)2. 6 μ m 3. 1 μ m波段激光輸出的激光晶體 材料 Cr:Yb:Ho = Gd3Gii5O12。實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案1. 一種共摻鉻、鐿敏化離子的鈥離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體，該晶體材 料的化學(xué)式為 CrYb:Ho:Gd3(ki5012。2. 一種項1的激光晶體材料的制備方法，其特征在于采用4N的Gd203、Ga2O3^ Cr2O3、Yb2O3、Ho2O3作為原料，通過高溫固相反應(yīng)獲得Cr:%:Ho:Gd3fei5012原料，采用提拉法 生長晶體。3. 一種項1的激光晶體材料的用途，該材料用于實現(xiàn)2. 6 3. 1 μ m波段激光輸
出ο


圖1.為激光實驗裝置。圖2 為Cr:Yb:Ho:Gd3Ga5012晶體在氙燈泵浦下的2. 5^3. 1 μ m波段的熒光光譜，五 個熒光峰分別位于2. 64，2. 7，2，82，2. 86和2. 92 μ m。
具體實施例方式實施例一 Cr Yb Ho Gd3Ga5O12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-他的熱電偶和型號為815EPC的歐路表控溫。所采用的坩堝 是Φ55πιπιΧ30πιπι的銥坩堝，所用的原料是4Ν級的Gd203、Ga203> Cr2O3> Yb2O3> Ho2O30根據(jù)下 列化學(xué)反應(yīng)式配制原料(3-y-z) Gd2O3+ (5_x) Ggi203+xCr203+yYb203+zHo203 — 2Gd (3_y_z) YbyHozGa (5_x) CrxO12x = 0. 1 5at% ;y = 1 15at% ；ζ = 0. 1 5at%。把原料混合均勻，壓成片 狀，放進鉬坩堝，置入普通燒結(jié)爐中，以150°C /h緩慢升溫到1080°C，保持48h，重復(fù)此過程， 然后放入高溫?zé)Y(jié)爐中在1350°C下恒溫?zé)Y(jié)72h，取出多晶料，直至X射線粉末衍射與標(biāo)準(zhǔn) 卡片完全相符為止。把原料裝入Φ55πιπιΧ30πιπι的銥坩堝內(nèi)，為了避免銥坩堝的氧化，首先抽出爐子內(nèi) 的空氣，使得爐子內(nèi)的氣壓達到-0. OlMPa，再充入高純氮氣使得氣壓達到0. 04MPa，然后升 溫到比熔點高50°C的溫度，恒溫1小時，使得原料熔化完全。以[111]方向的GGG晶體作為 籽晶生長大尺寸的優(yōu)質(zhì)晶體。生長過程中，籽晶桿的提拉速率為1. 3 1. 5mm/h,降溫速率 為2 10°C /h,籽晶桿的轉(zhuǎn)動速率為12 20r. p. m.，生長結(jié)束后將晶體提離液面，以10 300C /h的速率降至室溫，得到尺寸為Φ20πιπιΧ40πιπι的透明晶體。實施例二 Cr % Ho Gd3Ga5O12晶體的激光實驗加工鍵合出尺寸為Φ5_Χ (60mm 80mm)的優(yōu)質(zhì)Cr Yb Ho Gd3Ga5O12晶體 器件，采用氙燈作為泵浦源，進行激光實驗。實驗裝置如附圖1所示。圖中1是棒狀 Cr:Yb:Ho:Gd3Ga5012晶體；2是氙燈泵浦源；3是對λ = 2. 6 3. 1 μ m波段中某個特定波長 全反射的介質(zhì)鏡；4是對λ = 2. 6 3. 1 μ m波段中某個特定波長部分透射的介質(zhì)鏡；5是 LPE-IA激光能量計。
權(quán)利要求
1.一種共摻鉻、鐿敏化離子的鈥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(xué)式為Cr % Ho Gd2Ga5O12。
2.—種權(quán)利要求1的激光晶體材料的制備方法，其特征在于采用5N的Gd203、Ga2O3^ Cr2O3、Yb2O3、Ho2O3作為原料，通過高溫固相反應(yīng)獲得Cr:%:Ho:Gd3fei5012原料，采用提拉法 生長晶體。
3.—種權(quán)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(xiàn)2.6 3. 1微 米波段的激光輸出。
全文摘要
一種共摻鉻、鐿敏化離子的鈥離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體，涉及激光晶體材料領(lǐng)域。該晶體材料的化學(xué)式為Cr:Yb:Ho:Gd3Ga5O12。采用4N的Gd2O3、Ga2O3、Cr2O3、Yb2O3、Ho2O3作為原料，通過高溫固相反應(yīng)獲得Cr:Yb:Ho:Gd3Ga5O12原料，采用提拉法生長晶體。該材料用于實現(xiàn)2.6～3.1μm波段激光輸出。
文檔編號C30B29/28GK102134750SQ201010044860
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者朱昭捷, 李堅富, 涂朝陽, 游振宇, 王燕 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所