本發(fā)明涉及激光晶體材料，具體涉及镥鈧釹共摻雜釔鋁石榴石晶體及其生長方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、重頻大能量脈沖激光器增益介質(zhì)的研發(fā)是當(dāng)前固體激光器的主要發(fā)展方向之一。使用合適的增益介質(zhì)可以產(chǎn)生數(shù)十至百焦耳、數(shù)十赫茲、納秒級脈寬的大能量脈沖激光。這種激光器在工業(yè)加工、激光武器、沖擊強化醫(yī)療、大科學(xué)裝置等領(lǐng)域有重大應(yīng)用。

2、目前大能量脈沖激光器主要使用釹玻璃作為增益介質(zhì)，然而釹玻璃受限于熱導(dǎo)率無法獲得重頻大能量脈沖激光。摻釹釔鋁石榴石(nd:yag)晶體具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性、熱導(dǎo)率高、機械強度大、不易損壞、可靠性高，使用nd:yag晶體作為增益介質(zhì)在室溫下產(chǎn)生焦耳級重頻激光能夠獲得12j、10hz的脈沖激光(t.liu,z.sui,l.chen,z.li,q.liu,m.gong,and?x.fu,12j,10hz?diode-pumped?nd:yag?distributed?active?mirroramplifier?chain?with?ase?suppression，opt.express，2017，25,18,21981-21992)，但是，由于nd:yag晶體飽和通量低(0.66j/cm2)，導(dǎo)致nd:yag晶體單位面積無法獲得更高的脈沖能量，儲能能力差。此外，nd3+離子與y3+離子半徑相差很大，導(dǎo)致nd3+離子在yag晶體中的分凝系數(shù)小(0.2)，均勻性較差。

3、近年來，一些通過共摻雜三價不發(fā)光元素從而調(diào)控激光晶體的發(fā)光光譜的方法被報道，如d.li等人在journal?of?alloys?and?compounds公開的，在yap晶體中摻入10％的gd3+，可以提高晶體的無序性(d.li,q.liu,p.zhang,h.zhou,siqi?zhu,y.zhang,z.li,h.yin,z.chen,y.hang,crystal?growth,optical?properties?and?laser?performanceof?new?mixed?nd3+doped?gd0.1y0.9alo3?crystal,j.alloys?compd.,2019,789,664-669)。對于nd:yag晶體，一些三價稀土元素共摻雜的案例也被公開，如j.di等人報道了nd:lu1.5y1.5al5o12晶體(j.di,x.xu,w.tan,j.zhang,d.tang,d.li,d.zhou,f.wu?and?j.xu,ahighly?efficient?diode-pumped?passively?mode-locked?nd:lu1.5y1.5al5o12?laserlaser?phys.lett.2013,10,095801)，c.feng等人報道了nd:y3scal4o12晶體，相較于nd:yag這些晶體的晶體場無序性被加強(c.feng,h.zhang,q.wang,j.fang,dual-wavelengthsynchronously?mode-locked?laser?of?a?nd:y3scal4o12?disordered?crystal?laserphys.lett.2017,14,045804)。

4、上述混合晶體盡管具有無序性被加強的特征，但是并不適合作為高能激光增益介質(zhì)，在無序性增加的過程中會出現(xiàn)諸多負(fù)面現(xiàn)象。nd3+能夠產(chǎn)生1.06μm左右激光，對應(yīng)于能級4f3/2→4i11/2的躍遷，4f3/2和4i11/2能級在晶體場的作用下分別劈裂成2個和6個子能級，因此在能級躍遷中會產(chǎn)生共計12個躍遷譜線，在摻釹的無序性晶體較高的晶體中極易發(fā)射雙波長激光輸出，降低了光光轉(zhuǎn)換效率，如之前提到的nd:y3scal4o12在自由模式下產(chǎn)生雙波長激光。此外，此前含鈧釔鋁石榴石研究主要聚焦于兩種主要基質(zhì)：y3scal4o12和y3sc2al3o12兩種，這兩種晶體均不滿足作為重頻大能量激光系統(tǒng)的增益介質(zhì)的要求，在激光系統(tǒng)中以雙波長激光運轉(zhuǎn)。不同格位的摻雜對晶體的無序性影響不同，在石榴石晶體中，即使十二面體格位處出現(xiàn)大比例的摻雜，晶體的無序性也不會降低很多，如之前提到的nd:lu1.5y1.5al5o12晶體，其仍然具有較低的飽和通量。此外，在無序性摻雜的過程中還會出現(xiàn)機械性能如熱導(dǎo)率、斷裂韌性和楊氏模量等性能明顯降低的現(xiàn)象，使晶體綜合性能劣化。

5、現(xiàn)有專利及文獻(xiàn)所公開的包含yag組分的石榴石均不能滿足重頻高能激光的需求，無法同時滿足高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的機械性能、合適的飽和通量和高激光效率等綜合指標(biāo)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對重頻高能激光對增益介質(zhì)的綜合指標(biāo)需求，本發(fā)明的目的就在于提供一種镥鈧釹共摻雜釔鋁石榴石晶體，能夠在有效提高飽和通量的同時不會對晶體的物理、化學(xué)和生長特性產(chǎn)生顯著負(fù)面效果，以及基于該晶體的高能激光器。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供一種镥鈧釹共摻雜釔鋁石榴石晶體，其特征在于：所述晶體的化學(xué)組成通式為(ndxy1-x-yluy)3(al1-zscz)2al3o12，0.002≤x≤0.013，0.005≤y≤0.05，0.1≤z≤0.2。

4、在nd:yag晶體中共摻雜lu3+和sc3+。不發(fā)光的lu3+和sc3+，分別占據(jù)不同的格位。sc3+摻雜可以有效提高nd:yag晶體的飽和通量，lu3+摻雜可以平衡sc3+和nd3+摻雜造成的晶格畸變，減少晶體在生長和加工中的開裂現(xiàn)象。摻入sc3+可以增加晶胞體積，摻入lu3+半徑補償效應(yīng)可以增加激活離子nd3+的有效分凝系數(shù)，從而提高晶體的發(fā)光均勻性，有利于镥鈧共摻的nd:yag晶體的大尺寸生長。依靠共摻入的镥鈧離子，增大晶體場的無序性，降低了nd:yag晶體的發(fā)射截面，使nd3+離子的飽和通量增大了1至2倍，提高了晶體的儲能能力。

5、sc3+摻雜量有一定限制，sc3+含量過高會造成激光系統(tǒng)雙波長運轉(zhuǎn)，sc3+含量過低則不會使晶體飽和通量明顯增加，經(jīng)過一系列實驗，sc3+含量占八面體格位的10％至20％較為合適，飽和通量隨鈧濃度增大而增大。在此摻雜濃度下，飽和通量明顯增加，且不會出現(xiàn)雙波長激光，激光波長為1064nm。摻雜sc3+使晶體出現(xiàn)一定的開裂傾向，經(jīng)實驗驗證摻入少量的lu3+可以有效抑制這種傾向，lu3+平衡了摻雜造成的晶格畸變，減小晶體在生長和加工過程中的開裂現(xiàn)象，有利于nd:yag晶體的大尺寸生長。

6、更進(jìn)一步地，所述晶體采用熔體法生長。

7、發(fā)明還提供一種镥鈧釹共摻雜釔鋁石榴石晶體在固體激光器中的用途。進(jìn)一步地，所述固體激光器可以廣泛應(yīng)用在重頻大能量激光器、激光沖擊強化、拍瓦激光器泵浦源、激光聚變點火裝置、激光武器等高能激光領(lǐng)域。

8、有現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)異效果在于：

9、本發(fā)明在nd:yag晶體中共摻雜镥鈧離子，使晶體場無序性增大，增大晶體飽和通量約1～2倍，同時提高nd3+離子的有效分凝，優(yōu)化了nd:yag晶體的發(fā)光均勻性，同時不會使nd:yag的其他光譜特性、化學(xué)穩(wěn)定性、機械性能和激光性能等特性出現(xiàn)顯著變化，綜合特性優(yōu)良。本發(fā)明镥鈧共摻雜摻釹釔鋁石榴石晶體晶體可以有效提高儲能特性，在高能激光中有重要應(yīng)用。