專利名稱：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的制作方法
技術領域：
本發(fā)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(yī)療和國防安全 等領域具有廣闊應用前景，特別是3.0um 5.0pm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(huán)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(qū)的緣故，還可以用來遠 距離探測化學物質(zhì)，在反化學戰(zhàn)和環(huán)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(chǎn)生相應于4111/2—4113/2躍遷的2. 6 3. 0 y m波 段的激光發(fā)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(chǎn)生3. 8W(10Hz， 380mJ)的激光輸出，在市場上已經(jīng)商業(yè)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 + :0( ^5012和Er:Y3Sc2Ga3012 (YSGG)激光晶體，分別在2.937um、 2.821um和 2.797um波段實現(xiàn)了 143mW、 155mW和190mW的激光輸出，斜率效率分別為27%、 26%和3196。
共摻C +敏化離子不僅可以提高泵浦效率，還可以擴展晶體的可調(diào)諧激光波 段。另外，由于E,的4113/2—4115/2躍遷產(chǎn)生1.54um激光，與4111/2—4113/2躍遷產(chǎn)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(zhuǎn)換效率很低，然而當共摻P,敏化離子時，可以減小Er3+激光下能級4113/2的壽 命，抑制E,離子產(chǎn)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)。
Gd3GasO,2(GGG)屬于立方晶系，晶胞參數(shù)為a= 12. 38A，》8， Dc=7. 083g/cm3。 釓鎵石榴石Gd3Ga^2(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(fā)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200V)。 與YAG和YSGG晶體相比較，稀土激活的Gd3Ga^晶體具有以下的一些優(yōu)點(1) 采用提拉法生長的Nd:Gd3Gas(^晶體，容易實現(xiàn)平界面生長，不會產(chǎn)生由雜質(zhì)、 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(zhì)材料。(3) G4GasCd2的聲子能量較低(約為500 600cm—。，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 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ScA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:Gd3Ga5(X2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4)100 (H50mm" 4)，在2003年，美國實驗室采用 LD泵浦的Nd:Gd3Gas(^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(nèi)，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(jīng) 達到4)80mm，采用激光二極管陣列泵浦下，實現(xiàn)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(yōu)良的激光基質(zhì)晶體。由于E,的4113/2—4115/2躍遷產(chǎn)生 1.54um激光，與4111/2—4113/2躍遷產(chǎn)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(zhuǎn)換效率很低，在Gd3Ga^2中E +激光上 能級4111/2的壽命和下能級4113/2的壽命與YSGG的相近，但是Gd3Ga5012中Er^激 光上能級4111/2的壽命(0. 96ms)要比YAG中E一+激光上能級4111/2的壽命(0. 12ms) 長得多，下能級4;U/2的壽命(4.8ms)也比YAG中E +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(zhì)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Gd3Gas(V激光晶體的研究較少，特別是對于Cr3+:E +:Pr3+摻 雜的Gd3Ga^2激光晶體的生長、光譜和激光性能的研究，目前國內(nèi)外都尚未有研 究報道。我們生長合成的Cr3+:E,:Pr3+摻雜的Gd3Ga50i2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 y m波段存在有2. 64 u m、 2. 70 u m、 2.79um、 2.92um等幾個強發(fā)射峰，觀U定的E,離子在1. 54 u m的熒光發(fā)射壽 命為0.38ms，而E一+: Gd3GaA2在相應波段的熒光發(fā)射壽命為4.8ms，可見摻雜 Pr3+離子的敏化可以大大地抑制Er3+離子產(chǎn)生1.54um激光4113/2—4115/2躍遷的競 爭，有利于2.6 3.0ym波段激光的輸出，有望大大地提高量子效率。

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)2600nm 3000 nm波段可調(diào)諧激光輸 出的激光晶體材料Cr: Er: Pr: Gd3Ga5012。
本發(fā)明制備的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，其化學式為Cr:Er:Pr:Gd3Ga必2，屬于立方晶系，晶胞參數(shù)為a= 12. 38A，步8， Dc=7. 083g/cm3。
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:Pr :Gd3GasOi2原料，在氮氣氣氛條件下采用提拉法生長晶體。
本發(fā)明制備的激光晶體材料用于實現(xiàn)2600nm 3000 nm波段可調(diào)諧激光輸出。


圖1為激光晶體材料Cr:Er:Pr:Gd3Ga必2的離子敏化機理。圖2為激光晶體材料Cr:Er:Pr:Gd3Ga必2的熒光光譜圖。
具體實施例方式
實施例1: Cr:Er:Pr:Gd3GaA2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Gd203、 Ga203 、 Er203、 Cr203、 Pr203。根據(jù)下列化學反應式配制原料
3Gd203 + 5Ga203 + x Er203 + y Pr203 - 2 Gd3ErxPryGa5012"
x = 30at% 50at%; y 二 0. 5at% 5at%; (^203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?yōu)橹埂?br> 把原料裝入O55mmX30mm的銥坩堝內(nèi)，為了避免銥坩堝的氧化，首先抽出 爐子內(nèi)的空氣體，使得爐子內(nèi)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(zhuǎn)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420 mm X50 mm的透 明晶體。
權利要求
1.一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，其特征在于該晶體材料的化學式為Cr:Er:Pr:Gd3Ga5O12，屬于立方晶系，晶胞參數(shù)為a＝12.38 id="icf0001" file="A2008100713370002C1.tif" wi="3" he="4" 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GdA、 Ga203 、 Er203、 Cr203、 ？^03作為原料，通過高溫固相反應獲得Cr :Er :Pr :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(xiàn) 2600nm 3000 nm波段可調(diào)諧激光輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及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:Pr:Gd₃Ga₅O₁₂。采用4N的Gd₂O₃、Ga₂O₃、Er₂O₃、Cr₂O₃、Pr₂O₃作為原料，通過高溫固相反應獲得Cr:Er:Pr:Gd₃Ga₅O₁₂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(xiàn)2600nm～3000nm波段可調(diào)諧激光輸出。
文檔編號C30B29/10GK101619492SQ20081007133
公開日2010年1月6日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權日2008年7月3日
發(fā)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(zhì)結構研究所