一種高效中紅外雷射晶體及其製備方法

2023-10-07 03:34:04

專利名稱：一種高效中紅外雷射晶體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及雷射材料和晶體生長領域，具體的說是一種高效中紅外雷射晶體及其製備方法。
背景技術：
Er3+離子的4111/2 — 4I1372躍遷，在不同的材料中可產生2. 7 3μπι波段的雷射，由於該波段處於水的強吸收峰，水對其吸收率特別高，用於切割含水量較高的人體組織時，穿越深度僅約I μ m，熱損傷範圍較小，因而是精細雷射外科手術理想的工作波段，這使得鉺雷射在雷射醫學和生物技術等領域已經取得了非常廣泛的應用。此外，用該波段雷射泵浦紅外非線性晶體實現光參量振蕩，能夠獲得3 19 μ m的高功率中紅外雷射，可用於雷射雷達、光電對抗、化學和生物戰劑的探測及環境汙染監測等領域。釔鈧鎵石榴石(分子式為Y3Sc2Ga3O12,簡稱YSGG)是性能優良的雷射工作基質，屬於立方晶系，具有優良的力學、熱學及光學性能，物化性能穩定。由於Er3+與Y3+的離子半徑十分接近，Er3+很容易進入Y3+的格位，因而Er3+在YSGG晶體中的分凝係數接近1，使得Er3+在晶體中的分布十分均勻，易於獲得高光學質量的晶體，也容易獲得高摻雜激活離子濃度的晶體，有利於提高泵浦效率和雷射器的輸出功率。同時，YSGG具有比YAG更低的聲子能量，減少了多聲子弛豫機率，從而具有更高的雷射效率。Cr3+離子是一種重要的過渡金屬離子，在可見光波段範圍內具有較寬的吸收譜帶，能夠高效地吸收泵浦光能量並傳遞給Er3+離子，從而提高雷射的轉換效率。在Cr，Er:YSGG晶體中，2. 7 3 μ m的雷射上能級4111/2壽命為I. 3ms，表明該晶體是很好的儲能材料，適合於調Q輸出巨脈衝雷射。然而，由於其雷射下能級％3/2的壽命可達到3. 4ms，是壽命更長的亞穩能級。在受激發射過程中，躍遷下來的粒子會累積在％3/2能級上，不利於雷射發射過程中保持足夠的粒子數反轉。為了有效減小2. 7 3 μ m雷射下能級4Iiv2的壽命，在晶體中摻入能級與4Iiv2接近的離子，通過離子之間的高效能量轉移，可加快雷射下能級的抽空速率。在1988年,Huber等人(G. Huber,et al，Laser Pumping of Ho，Tm，Er Doped Garnet Laser at Room Temperature，IEEE Jof Quantum Electronics，1988，24 :920)比較了半導體雷射器泵浦 Cr，Er: YSGG 及 Cr，Er，Ho: YSGG晶體的2. 707 μ m雷射輸出特性，後者斜效率得到了提高。這是由於Ho3+離子的5I7能級與％3/2能級接近，加速了雷射下能級粒子的抽空速率，振蕩過程中雷射介質保持了較高的增益。在上個世紀七八十年代，由於當時Sc2O3原料非常昂貴，從而限制了含鈧石榴石晶體的研究和發展。近年來，隨著應用需求和提純技術的迅速發展，Sc2O3的價格有了較大幅度的降低。所以，近些年來，國內外含鈧石榴石晶體的研究又重新興起，儘管如此，據檢索，目前國內外都還沒有關於Cr，Er，Re:YSGG(Re = Eu，Tb)雷射晶體的研究報導。

發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種高效的2. 7 3μπι波段中紅外雷射晶體及其製備方法，能夠有效提高晶體的雷射輸出功率和效率。本發明的技術解決方案一種高效中紅外雷射晶體，所述晶體用於實現2. 7 3 μ m波段中紅外雷射輸出，所述晶體的分子式為Cr2xEr3yRe3zY3(1_y_z)Sc2(1_x)Ga3O12, Er是Er3+的簡稱，Re是Re3+的簡稱，Y是Y3+的簡稱，Cr是Cr3+的簡稱；所述Re3+為Eu3+或Tb3+ ；Re3+和Er3+均是取代Y3Sc2Ga3O12基質晶體(簡稱YSGG)中的Y3+離子，Er3+取代的濃度為5 30at%, BP y = O. 05-0. 3，Re3+ 的取代濃度為 O. I 5at%，即 z = O. 001-0. 05，Cr3+ 的取代濃度為O. I 5at%，即X = 0.001-0.05。另外，下面又給出了三種摻雜離子的最佳濃度範圍，Er3+ 為 10 20at%, BP y = O. 1-0. 2，Re3+ 為 O. 5_2at%，即 z = O. 005-0. 02，Cr3+ 為I X = 0.01-0. 02，在最佳取代濃度範圍內，所述發明晶體的技術特徵最容易實現。本發明的原理一種高效中紅外雷射晶體，以低聲子能量的YSGG為基質的雷射晶體，即Re3+(Re = Eu, Tb)、Er3+與Cr3+共摻雜的釔鈧鎵石榴石雷射晶體；所述晶體的化學式為 Cr3+，Er3+，Re3+:Y3Sc2Ga3012，所述晶體的分子式為 Cr2xEr3yRe3J3(1_y_z)Sc2(1_x)Ga3O12，其中 Re3+為Eu3+或Tb3+，Eu3+離子的7F6和Tb3+離子的7Ftl能級分別與Er3+離子的2. 7 3. O μ m波段雷射下能級％3/2較為接近，可加速4113/2能級粒子抽空速率，減小壽命，在振蕩過程中雷射介質可以保持較高的增益，從而有效提高晶體在2. 7 3. O μ m波段雷射輸出功率和效率。所述的Re3+和Er3+都是取代晶體中氧十二面體中心位置的Y3+離子，Er3+取代的濃度為 5 30at%, BP y = O. 05-0. 3，Re3+ 的取代濃度為 O. I 5at%，即 z = O. 001-0. 05 ；其中Cr3+取代晶體中氧八面體位上的部分Sc3+離子，Cr3+的取代濃度為O. I 5at%，即x=O. 001-0. 05。所述的高效中紅外雷射晶體Cr, Er, ReiYSGG (Re = Eu, Tb),可採用下述方法獲得具有實用價值的單晶(I)採用傳統固相法或共沉澱法製備多晶原料將氧化物原料按著下列化學反應方程式2xCr203+3yEr203+3zRe203+3 (1-y-z)YA+2 (1-x) Sc203+3Ga203 =Ga3O12 稱取，其中 x，y，z 為某一固定值，通過傳統固相法或共沉澱法製備Cr，Er，Re:YSGG(Re = Eu，Tb)多晶原料；(2)使用(I)製備得到的Cr，Er，Re:YSGG(Re = Eu，Tb)多晶原料，採用熔體法製備 Cr, Er, Re:YSGG(Re = Eu, Tb)單晶。所述固相法製備多晶原料的步驟為按著步驟(I)中的化學反應方程式稱取氧化物原料，然後將氧化物原料均勻混合併壓成塊狀，在1400-1500°C溫度範圍內燒結24-36小時，可得到Cr，Er，Re:YSGG多晶原料(Re = Eu, Tb)。所述共沉澱法製備多晶原料的步驟為 按著步驟(I)中的化學反應方程式稱取氧化物原料，然後將稱取的氧化物分別用適量HNO3溶解後混合均勻，將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在12±0. 5左右，經共沉澱後的混合液，用離心機經離心後得到凝膠前驅體，經洗滌、烘乾，最後在1000-110(TC附近燒結12-24小時可獲得Cr，Er，ReiYSGG多晶原料(Re = Eu，Tb)。所述熔體法製備單晶的方法，其具體步驟如下把上述傳統固相法或共沉澱法製備的Cr，Er，ReiYSGG多晶原料(Re = Eu，Tb)裝入銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為1.0
I.5mm/h,轉動速度為2 10r. p. m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱7 llh，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得Cr，Er，Re:YSGG單晶(Re = Eu,Tb)。本發明與現有技術相比的優點本發明提供一種高效中紅外雷射晶體Cr，Er,Re: YSGG(Re = Eu，Tb)，該晶體屬於立方晶系，可以採用提拉法生長出高光學質量的單晶。YSGG具有比YAG更低的聲子能量，減少了多聲子弛豫機率，從而具有更高的雷射效率。摻入Re3+(Re = Eu, Tb)離子後,通過Re3+(Re = Eu, Tb)離子與Er3+離子4113/2能級之間共振能量轉移，可加速％3/2能級粒子抽空速率，減小壽命，在振蕩過程中雷射介質可以保持較高的增益，因而Cr，Er，Re:YSGG晶體有望成為一種高效的中紅外雷射晶體。用Cr，Er，Re:YSGG(Re=Eu,Tb)產生的2. 7 3 μ m波段雷射在雷射醫療、科研 及國防等領域都有著重要的應用。


圖I為雷射晶體材料Cr，Er，Re:YSGG(Re = Eu，Tb)的能量傳遞機理圖；圖2是採用閃光燈作為泵浦源實現本發明Cr，Er，Eu: YSGG晶體雷射輸出的一種實
驗裝置；圖3是採用半導體雷射器作為泵浦源實現本發明Cr，Er，Tb:YSGG晶體雷射輸出的
一種實驗裝置。
具體實施例方式如圖I所示，本發明提出的Cr，Er，Re:YSGG(Re = Eu，Tb)，其中Eu3+離子的7F6和Tb3+離子的7Ftl能級分別與Er3+離子的2. 7 3 μ m波段雷射下能級4113/2較為接近，能加速雷射下能級粒子的抽空速率，減小能級壽命，在振蕩過程中雷射介質可以保持較高的增益，有效提高雷射輸出功率和效率。下面結合附圖及具體實施例詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限於解釋本發明，本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例的敘述，本領域的技術人員是可以完全實現本發明權利要求的全部內容。實施列I :生長Cr3+的濃度為O. Iat% ,Er3+的濃度為5at% ,Eu3+的濃度為O. Iat%
的 Cracici2Erai5Euacitl3Yi 847Sch 998Ga3O12 日日體C r，Er，Eu:YSGG晶體是指Cr3+的摻雜濃度在O. I 5at%，Er3+的摻雜濃度在5 30at%之間，Eu3+的摻雜濃度在O. I 5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為O. Iat%,Er3+ 的濃度為 5at%, Eu3+ 的濃度為 O. Iat %,即 x = O. 001, y = O. 05, z = O. 001。將氧化物原料按著化學反應式 2xCr203+3yEr203+3zEu203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 =2Cr2xEr3yEu3zY3(卜y_z)Sc2u_x)Ga3012 (其中 x = 0. 001，y = 0. 05, z = 0. 001)稱取，均勻混合併壓成塊狀，採用固相法在1400°C燒結36小時，可得到Cr，Er，Eu:YSGG多晶原料。將600克Cr, Er, EuiYSGG原料裝入直徑為60_的銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h,轉動速度為2 10r. p. m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱7h，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得尺寸為Φ30ι πιΧ60πιπι的Cr,Er,Eu:YSGG單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體除在916 980nm範圍內有寬的吸收譜帶外,在可見光範圍內也有較弱的寬吸收帶，用966nm波長激發得到了 2. 7 3μ m波段的寬帶螢光譜和2. 79 μ m的螢光衰減曲線，結果表明其4Iiv2能級的螢光壽命略有下降，初步表明該晶體可用LD泵浦實現2. 7 3 μ m波段雷射輸出。實施例2 :生長Cr3+的濃度為2at%，Er3+的濃度為30at%，Eu3+的濃度為O. 5at%的 Cr。. Q4Era 9Eu。. Q15Y2. Q85Sc1.96Ga3012 日日體Cr，Er，Eu:YSGG晶體是指Cr3+的摻雜濃度在O. I 5at%，Er3+的摻雜濃度在5 30at%之間，Eu3+的摻雜濃度在O. I 5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為2at%，Er3+ 的濃度為 30at %, Eu3+ 的濃度為 O. 5at % ,即 x = O. 02, y = O. 3, z = O. 005。將氧化物原料按著化學反應式 2xCr203+3yEr203+3zEu203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 =2Cr2xEr3yEu3zY3(1_y_z)SC2(1_x)Ga3012(其中 x = 0. 02, y = 0. 3, z = 0. 005)稱取，均勻混合併壓成塊狀，採用固相法在1450°C燒結30小時，可得到Cr，Er，Eu:YSGG多晶原料。將700克Cr，Er, EikYSGG原料裝入直徑為65mm的銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h,轉動速度為2 10r. p. m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱7. 5h，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得尺寸為Φ25ι πιΧ80πιπι的Cr,Er,Eu:YSGG單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體除在916 980nm範圍內有較寬的吸收譜帶外，在可見光範圍內也有較強的寬吸收帶，用642nm、966nm波長激發得到了 2. 7 3 μ m波段的寬帶螢光譜和2. 79 μ m的螢光衰減曲線，結果表明其4Iiv2的能級壽命有較大幅度下降，初步表明該晶體可用閃光燈或LD泵浦實現高效的2. 7 3 μ m波段雷射輸出。實施例3 :生長Cr3+的濃度為I. 5at%, Er3+的濃度為15at%，Tb3+的濃度為
I.5at%白勺 CraQ3Era45TbaQ45Y2.5(l5ScL97Ga3012 日日體Cr,Er,Tb:YSGG晶體是指Cr3+的摻雜濃度在O. I 5at%，Er3+的摻雜濃度在5 30at%之間，Tb3+的摻雜濃度在O. I 5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為I. 5at%,Er3+ 的濃度為 15at%, Tb3+ 的濃度為 I. 5at%,即 x = O. 015, y = O. 15, z = O. 015。將氧化物原料按著化學反應式 2xCr203+3yEr203+3zTb203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 =2Cr2xEr3yTb3zY3(卜y_z)Sc2u_x)Ga3012 (其中 x = 0. 015，y = 0. 15, z = 0. 015)稱取，均勻混合併壓成塊狀，採用固相法在1500°C燒結24小時，可得到Cr，Er，Tb:YSGG多晶原料。將600克Cr, Er, Tb:YSGG原料裝入直徑為60_的銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h，轉動速度為2 10r. p.m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱7h，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得尺寸為Φ 28mm X 85mm的Cr，Er，Tb: YSGG單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體除在916 980nm範圍內有較寬的吸收譜帶外,在可見光範圍內也有較強的寬吸收帶，用642nm、966nm波長激發得到了 2. 7 3 μ m波段的寬帶螢光譜和2. 79 μ m的螢光衰減曲線，結果表明其4Iiv2能級的螢光壽命有較大幅度下降，初步表明該晶體可用閃光燈或LD泵浦實現高效的2. 7 3 μ m波段雷射輸出。
實施例4 :生長Cr3+的濃度為2at%，Er3+的濃度為IOat %，Tb3+的濃度為2&七％的Cr0. 04^1*0. 3Tb。. O6Y2. 64§。1. ggGagOjg 日日體Cr，Er，TbiYSGG晶體是指Cr3+的摻雜濃度在O. I 5at%，Er3+的摻雜濃度在5 30at%之間，Tb3+的摻雜濃度在O. I 5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為2at%，Er3+ 的濃度為 IOat %, Tb3+ 的濃度為 2at %,即 x = O. 02, y = O. I, z = O. 02。將氧化物原料按著化學反應式2xCr203+3yEr203+3zTb203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 =2Cr2xEr3yTb3zY3(卜y_z)Sc2(1_x)Ga3012((其中 x = 0· 02，y = 0· 1，z = 0. 02)稱取，將稱取的氧化物分別用適量HNO3溶解後混合均勻，用液相共沉澱的方法將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在12±0. 5左右，經共沉澱後的混合液，用離心機經離心後得到凝膠前驅體，經洗滌、烘乾，最後在1000°C燒結24小時可獲得Cr，Er，TbiYSGG多晶原料。將900克Cr，Er,Tb:YSGG原料裝入直徑為70mm的銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。 用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h，轉動速度為2 10r. p. m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱10. 5h，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得尺寸為Φ30πιπιΧ IOOmm的Cr，Er，Tb = YSGG單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體除在916 980nm範圍內有較寬的吸收譜帶外,在可見光範圍內也有強的寬吸收帶，用642nm、966nm波長激發得到了 2. 7 3 μ m波段的寬帶螢光譜和2. 79μπι的螢光衰減曲線，結果表明其4113/2能級壽命有較大幅度下降，初步表明該晶體可用閃光燈或LD泵浦實現高效的2. 7 3 μ m波段雷射輸出。實施例5 生長Cr3+的濃度為5 %，Er3+的濃度為25at %，Eu3+的濃度為5at %的Cr0. iEr0.75EU0.15Υ2. iScLgGa3012 日日體Cr,Er,Eu:YSGG晶體是指Cr3+的摻雜濃度在O. I 5at%，Er3+的摻雜濃度在5 30at%之間，Eu3+的摻雜濃度在O. I 5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為5at%，Er3+的濃度為25at %，Eu3+的濃度為5at %，即X = O. 05，y = O. 25，z = O. 05。將氧化物原料按著化學反應式 2xCr203+3yEr203+3zEu203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 = 2Cr2xEr3yEu3zY3(1_y_z)Sc2(1_x)Ga3012 (其中X = 0. 05，y = 0. 25, z = 0. 05)稱取，將稱取的氧化物分別用HN03溶解後混合均勻，用液相共沉澱的方法將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在12左右，經共沉澱後的混合液，用離心機經離心後得到凝膠前驅體，經洗滌、烘乾，最後在1050°C燒結20小時可獲得Cr，Er，Eu: YSGG多晶原料。將800克Cr，Er，Eu: YSGG原料裝入直徑為65mm的銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h，轉動速度為2 10r. p. m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱10h，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得尺寸為Φ25mmX90mm的Cr, Er, Eu:YSGG單晶。通過測量晶體的吸收光譜,發現晶體除在916 980nm範圍內有較寬的吸收譜帶外，在可見光範圍內也有非常強的寬吸收帶，用642nm、966nm波長激發得到了 2. 7 3 μ m波段的寬帶螢光譜和2. 79 μ m的螢光衰減曲線，結果表明其4113/2能級壽命有較大幅度下降，初步表明該晶體可用閃光燈或LD泵浦實現高效的2. 7 3 μ m波段雷射輸出。實施例6 :生長Cr3+的濃度為Iat% ,Er3+的濃度為IOat% ,Eu3+的濃度為Iat%的Cr0. 02^1*0. 3EU0 O3Y2. 67§。1. 98^3-3012 日日體Cr,Er,Eu:YSGG晶體是指Cr3+的摻雜濃度在O. I 5at%，Er3+的摻雜濃度在5 30at%之間，Eu3+的摻雜濃度在O. I 5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為Iat% ,Er3+的濃度為IOat%,Eu3+的濃度為Iat%,即X = O. 01,y = O. I, z = 0.01o將氧化物原料按著化學反應式 2xCr203+3yEr203+3zEu203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 = 2Cr2xEr3yEu3zY3(1_y_z)Sc2(1_x)Ga3012 (其中X = 0. 01，y = 0. 1，z = 0. 01)稱取，將稱取的氧化物分別用HN03溶解後混合均勻，用液相共沉澱的方法將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在12左右，經共沉澱後的混合液，用離心機經離心後得到凝膠前驅體，經洗滌、烘乾，最後在IlOiTC燒結12小時可獲得C r，Er，Eu: YSGG多晶原料。將600克Cr，Er，Eu: YSGG原料裝入直徑為60mm的銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h，轉動速度為2 10r. p. m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱7h，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得尺寸為Φ20ι πιΧ70πιπι的Cr,Er,Eu:YSGG單晶。通過測量晶體的吸收光譜,發現晶體除在916 980nm範圍內有寬的吸收譜帶外，在可見光範圍內也有較強的寬吸收帶，用966nm波長激發得到了 2. 7 3 μ m波段的寬帶螢光譜和2. 79 μ m的螢光衰減曲線，結果表明其4113/2能級壽命有較大幅度下降，初步表明該晶體可用閃光燈或LD泵浦實現高效的2. 7 3μ m波段雷射輸出。實施例7 :生長Cr3+的濃度為I. 5at%,Er3+的濃度為20at%，Tb3+的濃度為2at%的 Cr0. Q3Era 6TbQ. Q6Y2.134Sc1.97Ga3012 日日體Cr,Er,Tb:YSGG晶體是指Cr3+的摻雜濃度在O. I 5at%，Er3+的摻雜濃度在5 30at%之間，Tb3+的摻雜濃度在O. I 5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為I. 5at%,Er3+ 的濃度為 20at %, Tb3+ 的濃度為 2at % ,即 x = O. 015, y = O. 2, z = O. 02。將氧化物原料按著化學反應式 2xCr203+3yEr203+3zTb203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 =2Cr2xEr3yTb3zY3(1_y_z)Sc2(1_x)Ga3012(其中 x = (λ 015，y = 0. 2, z = 0. 02)稱取，均勻混合併壓成塊狀，採用固相法在1480°C燒結28小時，可得到Cr，Er，Tb = YSGG多晶原料。將650克Cr, Er, Tb:YSGG原料裝入直徑為60_的銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h,轉動速度為2 10r. p. m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱7. 5h，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得尺寸為Φ 28mm X 90mm的Cr，Er，Tb: YSGG單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體除在916 980nm範圍內有較寬的吸收譜帶外，在可見光範圍內也有強的寬吸收帶，用642nm、966nm波長激發得到了 2. 7 3 μ m波段的寬帶螢光譜和2. 79μπι的螢光衰減曲線，結果表明其4113/2能級壽命有較大幅度下降，初步表明該晶體可用閃光燈或LD泵浦實現高效的2. 7 3 μ m波段雷射輸出。實施例8 :生長Cr3+的濃度為Iat %，Er3+的濃度為8at%，Tb3+的濃度為4at%的Cr0. 02^1*0. 24Tb。. 12^-2. 64§。1. 98^3-3012 日日體Cr,Er,Tb:YSGG晶體是指Cr3+的摻雜濃度在O. I 5at%，Er3+的摻雜濃度在5 30at%之間，Tb3+的摻雜濃度在O. I 5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為Iat% ,Er3+的濃度為8at%，Tb3+的濃度為4at%，即X = O. 01，y = O. 08，z = O. 04。將氧化物原料按著化學反應式 2xCr203+3yEr203+3zTb203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 = 2Cr2xEr3yTb3zY3(1_y_z)Sc2(1_x)Ga3012 (其中X = 0. 01，y = 0. 08，z = 0. 04)稱取，將稱取的氧化物分別用HN03溶解後混合均勻，用液相共沉澱的方法將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在12左右，經共沉澱後的混合液，用離心機經離心後得到凝膠前驅體，經洗滌、烘乾，最後在1050°C燒結20小時可獲得Cr，Er，TbiYSGG多晶原料。將750克Cr，Er，TbiYSGG原料裝入直徑為70mm的銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體。用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h，轉動速度為2 IOr. p. m.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱8h，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得尺寸為Φ30ι πιΧ90πιπι的C r, Er, Tb:YSGG單晶。通過測量晶體的吸收光譜,發現晶體除在916 980nm範圍內有寬的吸收譜帶外，在可見光範圍內也有較強的寬吸收帶，用966nm波長激發得到了 2. 7 3μπι波段的寬帶螢光譜和2. 79 μ m的螢光衰減曲線，結果表明其4I1372能級壽命有較大幅度下降，初步表明該晶體可用閃光燈或LD泵浦實現高效的2. 7 3 μ m波段雷射輸出。實施例9 :實現Cr， Er，Eu: YSGG晶體2. 7 3. O μ m波段雷射輸出的一種實驗裝置採用閃光燈泵浦Cr，Er，EuiYSGG晶體元件，雷射實驗裝置如圖2。圖中a為對
2.7 3. Oym波段全反的介質鏡；b為Cr，Er，Eu: YSGG晶體元件；(為閃光燈；d為對2. 7
3.Oym波段10%透射的介質鏡；e為雷射能量計。實施例10 :實現Cr，Er，TbiYSGG晶體2. 7 3. O μ m波段雷射輸出的一種實驗裝
置採用966nm半導體雷射器泵浦Cr，Er，Tb: YSGG晶體元件，雷射實驗裝置如圖3。圖中I為966nm半導體雷射器；2為準直聚焦系統；3為對966nm高透，對2. 7 3. O μ m波段全反的介質鏡；4為Cr，Er，Tb:YSGG晶體元件；5為對2. 7 3. O μ m波段O. 5%透射的介質鏡；6為966nm濾光片，7為雷射能量計。
權利要求
1.一種高效中紅外雷射晶體，其特徵在於所述晶體用於實現2. 7 3μπι波段中紅外雷射輸出，所述晶體的分子式為Cr2xEr3yRe3zY3(1_y_z)Sc2(1_x)Ga3012，Er是Er3+的簡稱，Re是Re3+的簡稱，Y是Y3+的簡稱，Cr是Cr3+的簡稱；所述Re3+為Eu3+或Tb3+ ；Re3+和Er3+均是取代Y3Sc2Ga3O12基質晶體中的Y3+離子，Er3+取代的濃度為5 30at%，即y = O. 05-0. 3，Re3+的取代濃度為O. I 5at%，即z = O. 001-0. 05，Cr3+的取代濃度為O. I 5at%，即x =O.001-0. 05。
2.根據權利要求I所述的高效中紅外雷射晶體，其特徵在於所述Er3+的最佳取代濃度範圍為10 20at%，即y = O. 1-0. 2，Re3+的最佳取代濃度範圍為O. 5 2at%，即z =O.005-0. 02，Cr3+的最佳取代濃度範圍為I 2at%，即x = O. 01-0. 02。
3.製備權利要求I所述高效中紅外雷射晶體的方法，其特徵在於實現步驟如下 (1)採用傳統固相法或共沉澱法製備所述晶體的多晶原料 將氧化物原料按著下列化學反應式2xCr203+3yEr203+3zRe203+3 (1-y-z) Y203+2 (l_x) Sc203+3Ga203 = 2Cr2xEr3yRe3zY3(卜y_z)Sc2(I-X)Ga3O12 稱取，其中 Re = Eu 或 Tb, Eu 或 Tb 是 Eu3+ 或 Tb3+ 簡稱，x = O. 001-0. 05, y =O. 05-0. 3, z = O. 001-0. 05，通過傳統固相法或共沉澱法製得所述的多晶原料； (2)採用熔體法生長單晶 使用上述傳統固相法或共沉澱法製備得到的Cr2xEr3yRe3zY3(1_y_z)Sc2(1_x)Ga3012多晶原料，採用熔體法生長 Cr2xEr3yRe3zY3(1_y_z)SC2(1_x)Ga3O12 單晶。
4.根據權利要求3所述的高效中紅外雷射晶體的製備方法，其特徵在於所述傳統固相法製備多晶原料的步驟為將氧化物原料按著化學反應方程式2xCr203+3yEr203+3zRe203+3 (l-y-ζ) Υ203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 = 2Cr2xEr3yRe3zY3(卜y_z)Sc2U_x)Ga3O12稱取，然後將氧化物原料均勻混合併壓成塊狀，在1400-1500°C溫度範圍內燒結24_36小時，可得到多晶原料。
5.根據權利要求3所述的高效中紅外雷射晶體的製備方法，其特徵在於所述共沉澱法製備多晶原料的步驟為將氧化物原料按著化學反應方程式2xCr203+3yEr203+3zRe203+3 (1-y-z) Y203+2 (l-χ) Sc203+3Ga203 = 2Cr2xEr3yRe3zY3(卜y_z)Sc2U_x)Ga3O12稱取,然後將稱取的氧化物分別用適量HNO3溶解後混合均勻,將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在12±0. 5，經共沉澱後的混合液，用離心機經離心後得到凝膠前驅體，經洗滌、烘乾，最後在1000-1100°C範圍內燒結12-24小時可獲得多晶原料。
6.根據權利要求3所述的高效中紅外雷射晶體的製備方法，其特徵在於所述的熔體法生長單晶的具體步驟為把上述傳統固相法或共沉澱法製備的多晶原料裝入銥金坩堝中，然後將銥金坩堝裝入提拉爐中，爐膛抽真空後充入N2氣作為保護氣體，用YSGG做生長籽晶，籽晶提拉速度為I. O I. 5mm/h，轉動速度為2 IOrpm.，採用感應加熱法將原料熔化，原料全部熔化後過熱7 llh，經過下種、放肩、等徑、收尾、提晶及降溫過程，最後獲得Cr2xEr3yRe3zY3 d-y-z) Sc2 d-,；)Ga3O12 單日日。
全文摘要
一種高效中紅外雷射晶體，用於實現2.7～3μm波段中紅外雷射輸出，所述晶體的分子式為Cr2xEr3yRe3zY3(1-y-z)Sc2(1-x)Ga3O12，Er是Er3+的簡稱，Re是Re3+的簡稱，Y是Y3+的簡稱，Cr是Cr3+的簡稱；所述Re3+為Eu3+或Tb3+；Re3+和Er3+均是取代Y3Sc2Ga3O12基質晶體中的Y3+離子，Er3+取代的濃度為5～30at％，即y＝0.05-0.3，Re3+的取代濃度為0.1～5at％，即z＝0.001-0.05，Cr3+的取代濃度為0.1～5at％，即x＝0.001-0.05。本發明中，由於Re3+(Re＝Eu，Tb)離子與Er3+離子存在相近的能級結構，通過Re3+、Er3+離子之間共振能量轉移，可加速4I13/2能級粒子抽空速率，其2.7～3μm雷射下能級壽命可得到一定程度降低，從而能夠有效提高晶體的雷射輸出效率和功率，在生物醫療、光參量振蕩及光電對抗等領域有著重要的應用。
文檔編號C30B29/28GK102618928SQ201210034910
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月16日 優先權日2012年2月16日
發明者劉文鵬, 孫敦陸, 張慶禮, 李秀麗, 殷紹唐, 王小飛, 羅建喬 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院