一種自調(diào)q的石榴石晶體及其制作的自調(diào)q器件、自調(diào)q脈沖激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種自調(diào)Q的石榴石晶體及其生長方法和利用該晶體制作的自調(diào)Q器 件、自調(diào)Q脈沖激光器，屬于晶體生長和激光器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 調(diào)Q脈沖激光由于具有高的峰值功率，大的脈沖能量，和相對較短的脈沖時間等 優(yōu)勢，在工業(yè)加工，遙感測量和軍事對抗等領(lǐng)域具有很重要的潛在應(yīng)用。調(diào)Q脈沖激光分為 主動調(diào)Q激光和被動調(diào)Q激光。相對于主動調(diào)Q激光，被動調(diào)Q激光具有簡單緊湊和低成 本的結(jié)構(gòu)配置，因而得到了更多的研宄和關(guān)注。對于被動調(diào)Q激光，飽和吸收體是其重要的 組成部分。通過利用飽和吸收體本身的可飽和吸收特性（即：在高能量密度激光照射時可 達(dá)到吸收飽和的高透過率，而低能量密度激光照射時達(dá)到未吸收飽和的低透過率）對腔內(nèi) 激光產(chǎn)生過程的損耗進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)Q激光輸出的目的。產(chǎn)生被動調(diào)Q脈沖激光的 飽和吸收體和激光增益介質(zhì)如果分別進(jìn)行設(shè)計會增加調(diào)Q激光器的空間復(fù)雜性和降低工 作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并限制其器件的集成小型化。通過把可飽和吸收激活離子和激光增益激 活離子結(jié)合在一種基質(zhì)中即可實現(xiàn)所謂的自調(diào)Q脈沖激光。此類自調(diào)Q器件具有更加簡單 緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和更加低廉的加工成本，從而更有利于脈沖激光器的集成小型化。
[0003] 目前報道的自調(diào)Q材料主要有Re3+，Cr5+:LnV04(Re=Nd或Yb，A=Y，Gd或Lu)和 Re3+,Cr4+:Y3A15012(YAG)(Re=Nd或Yb)。Nd,Cr4+:YAG和Yb,Cr4+:YAG自調(diào)Q晶體已在科研 領(lǐng)域得到了廣泛的研宄。然而，對于此類晶體，摻進(jìn)的Cr4+離子的半徑比替代的四面體格位 上的Al3+離子（r( ,.=〇_41A和rAI=0.39A)大，因而導(dǎo)致Re，Cr4+:YAG晶體中Cr4+離子的分 凝系數(shù)比較小。從而增加了晶體的應(yīng)用長度及阻礙了自調(diào)Q器件的小型化。此外Cr4+離子 在YAG中小的基態(tài)吸收截面和大的激發(fā)態(tài)吸收截面增加了的腔內(nèi)非飽和吸收損耗從而影 響了其飽和吸收調(diào)制性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種自調(diào)Q的石榴石晶體及其制作的自調(diào)Q器 件、自調(diào)Q脈沖激光器。所述的自調(diào)Q的石榴石晶體是Re3+，Cr4+:A3 (ScxGai_x) 2Ga3012釹或鐿 與四價鉻離子雙摻鎵石榴石或鎵鈧石榴石晶體。
[0005] 本發(fā)明還提供一種Re3+，Cr4+:A3(ScxGai_x)2Ga3012石榴石晶體的生長方法。
[0006] 本發(fā)明還提供Re3+，Cr'AjSCxGahhGaPu自調(diào)Q器件的制備以及一種自調(diào)Q脈 沖激光器。
[0007] 術(shù)語說明：
[0008] Re'Cr'AjSqGahhGa^^釹或鐿與四價鉻離子雙摻鎵石榴石或鎵鈧石榴石 晶體的簡稱，Re=Nd或Yb，A=Y,Gd或Lu，0 <x< 1。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0010] - 種自調(diào)Q的石植石晶體，通式為（ReyCazAi-y-z) 3 (SCxGa^) 2 (CrzGa^z) 3012，其 中，Re=Nd或Yb，A=Y，Gd或Lu，0 彡x彡l，0〈y彡 1，0. 00001 彡z彡 0? 1 ;簡寫為Re3+，Cr^AdSc^Ga^hGa^，具有Ia_3d空間群結(jié)構(gòu)。摻入Ca2+離子的作用是來進(jìn)行電荷 補(bǔ)償以維持晶體內(nèi)部的電荷平衡。
[0011] 本發(fā)明的自調(diào)Q的石榴石晶體用于自調(diào)Q脈沖激光器中可實現(xiàn)自調(diào)Q激光輸出。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，當(dāng)摻雜Nd3+和Cr4+離子時，Nd3+，Cr'AjSqGahhGa^晶體 可實現(xiàn)輸出波長為〇.9ym(4F3/2- 4I9/2)、1.06ym(4F3/2- 4111/2)的自調(diào)Q脈沖激光；
[0013] 當(dāng)摻雜Yb3+和Cr4+離子時，Yb3+，Cr'AjSCxGa^hGaA^體可實現(xiàn)輸出波長為 lym(2F5/2- 2F7/2)左右的自調(diào)Q脈沖激光。
[0014] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述自調(diào)Q的石榴石晶體是下列之一，其中，0彡X彡1 :
[0015] a.Nd3.，Cr4+:Y3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0016]b.Yb3.，Cr4+:Y3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0017]c.Nd3+，Cr4+:Gd3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0018]d.Yb3.，Cr4+:Gd3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0019] e.Nd3.，Cr4+:Lu3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0020] f.Yb3.，Cr4+:Lu3 (ScxGah) 2Ga3012晶體。
[0021]對于摻雜NcT和Cr4+離子的晶體，優(yōu)選的：Nd3+濃度0〈y彡0.01，Cr4+濃度 0? 0001 彡z彡 0? 01。進(jìn)一步優(yōu)選，0? 005 彡y彡 0? 01，0. 0003 彡z彡 0? 002。
[0022] 特別優(yōu)選的，所述自調(diào)Q的石榴石晶體是Nd3+，Cr4+:Y3Ga5012,Nd3+，Cr4+: 6(1抑5012和 Nd3+，Cr4+:Lu3Ga5012。圖3所示為1mm厚的Nd3+，Cr4+:Y3Ga5012晶體[111]方向的非偏振吸收 譜圖。其中，Nd3+離子的摻雜濃度y= 0. 01，Cr4+離子的摻雜濃度z= 0. 00033。
[0023] 對于摻雜Yb3+和Cr4+離子的晶體，優(yōu)選的：Yb3+濃度0〈y彡1，Cr4+濃度 0? 0001 彡z彡 0? 01。進(jìn)一步優(yōu)選，0? 05 彡y彡 0? 1，0. 0003 彡z彡 0? 002 ;
[0024] 特別優(yōu)選的，所述自調(diào)Q的石榴石晶體是Yb3+，Cr4+:Y3Ga5012,Yb3+，Cr4+: 6(1抑5012和 Yb3+,Cr4+:Lu3Ga5012〇
[0025]Re3+(Nd3+或Yb3+)、Ca2+和A3+(Y3+,Gd3+或Lu3+)離子都占據(jù)十二面體格位，Sc3+和 部分Ga3+離子占據(jù)八面體格位，Cr4+和剩下的Ga3+離子占據(jù)四面體格位。對于同一種A 元素石榴石晶體，由于在八面體格位上，Sc3+離子的半徑大于Ga3+離子（rSl:=0.745A和 ;-Ga=0.620A )，伴隨著Sc摻雜量的增加，其晶格常數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢。
[0026] 本發(fā)明的Re3+，Cr4+:A3(ScxGai_x)私3012晶體的生長方法，包括步驟如下：
[0027] (1)以Re203,A203,Sc203,Ga203,Cr203,CaC03為原料，按照通式（ReyCaA_y_z) 3 (ScxG 各組分的摩爾比分別計算稱量原料，混合12小時后放到Pt坩堝在 1000-1100°C燒結(jié)10小時；研磨混合得到粒徑為微米級的Re3+，Cr'AjSCxGahhGa^石榴 石多晶料。
[0028] (2)將上述的Re3+，Cr'AjSCxGa^hGaA石榴石多晶料裝入氣球搗實，在抽完真 空后，在60-80MPa的等靜水壓下壓制l-5min成圓柱形料棒，將料棒置于1000-1500°C的燒 結(jié)爐中燒結(jié)6-8小時。
[0029] (3)光浮區(qū)法生長Re3+，Cr4+:A3ScxGa5_x012晶體：采用[111]方向的純YAG籽晶，密 封通氧的石英管內(nèi)，在光浮區(qū)生長爐中下端旋轉(zhuǎn)移動桿固定籽晶，上端旋轉(zhuǎn)移動桿固定多 晶料棒；升溫至籽晶上端和多晶料棒下端熔化，移動使兩者接觸，向下移動籽晶和料棒開始 晶體生長。籽晶上端不斷地從熔體接觸端固液界面析出晶體，向下移動的料棒不斷地熔化 補(bǔ)充熔區(qū)原料含量。通過調(diào)節(jié)氙燈的的加熱功率和料棒的向下移動速度來實現(xiàn)收頸一放肩 -等徑一收尾晶體生長過程；其特征在于：生長過程中通入純度多99. 9%的氧氣，氧氣流 動速率為30〇11117111111，以使1^3+，04+:4說知 1_!￡)私3012內(nèi)四面體上的0元素的價態(tài)為+4 價，在900-1200nm波段具備可飽和吸收性質(zhì)；上、下兩個旋轉(zhuǎn)移動桿的轉(zhuǎn)速控制在15-20r/ min，轉(zhuǎn)動方向相反，以使生長時晶體與熔區(qū)的固液界面為微凸界面；收頸處的直徑控制在 2-3_，放肩和收尾的晶體生長長度均要控制在5-10_，以減少晶體內(nèi)的生長缺陷，提高晶 體的生長質(zhì)量；生長完的晶體在1000°C的空氣中下退火30-40h以消除晶體所存在的較大 的熱應(yīng)力。
[0030] 根據(jù)上述生長方法，優(yōu)選的，Re3+，Cr'AjSqGahhGaA#晶料棒長度為4-lOcm， 直徑為5-10mm。
[0031] 根據(jù)上述生長方法，優(yōu)選的，[111]方向的YAG籽晶截面尺寸為4X4,長度為 15-30mm〇
[0032] 根據(jù)上述生長方法，優(yōu)選的，晶體對接前的升溫速度和生長完成后的降溫速度為 300-600。。/h〇
[0033] 根據(jù)上述生長方法，優(yōu)選的，1^3+，〇4+:4 3(5〇!^1_丄633012晶體生長速度為5-8111111/ h〇
[0034] 根據(jù)上述生長方法，優(yōu)選的，等徑段的Re3+，Cr'AjSc^GahhGa^晶體直徑為 5_8mm，晶體長度為3_8cm。
[0035] 本發(fā)明的生長方法具有生長速度快，生長周期短。且生長過程中采用 區(qū)域熔化的熔區(qū)，無坩堝，從而避免了坩堝污染。該方法可方便地制得厘米級 Re3.，Cr4+:A3 (SqGah) 2Ga3012晶體。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明提供一種自調(diào)Q器件，即Re3+，Cr'AjSqGahhGa^自調(diào)Q器件，
[0037] 它是以本發(fā)明所述的Re3+，Cr^AjSCxGahhGa^晶體沿[111]方向切割、兩通光 端面拋光后再鍍以相應(yīng)波長的介質(zhì)膜或不鍍膜制成。
[0038]Re'Cr'AjSc^GahhGaA^通光端面根據(jù)激光器內(nèi)所需的晶體外形可設(shè)計為 圓形，方形或其他特殊形狀，通光方向晶體厚度為〇.l-10mm。優(yōu)選通光方向晶體厚度為 0? 5_5mm〇