一種2.8-3微米雷射晶體及其製備方法

2023-10-07 03:24:39 1

專利名稱：一種2.8-3微米雷射晶體及其製備方法
技術領域：
本發明屬於功能晶體材料領域，具體的說是一種高效2. 8-3微米單摻敏化 Ho3+或Cr3+，Yb3+共摻敏化Ho3+的鋁酸釔YAW3雷射晶體。
背景技術：
YAlO3(YAP)晶體是優良的固體雷射基質材料，它是一種雙光軸晶體，屬正交晶系， 其空間群為Pbnm，該晶體各向異性，使其具有很多優點。第一，YAP晶體和YAG(Y3Al5O12)晶體在熱力學及機械性能方面比較相似；第二，當在較高功率泵浦的條件下，YAP晶體的自然雙折射超越熱雙折射而佔主導地位，所以可以忽略由於熱雙折射帶來的不利影響；第三，三價稀土離子摻雜的YAP晶體可以產生線性偏振的雷射；第四，通過改變光場矢量在晶體中的方向，可實現雷射波長的小範圍調諧。2. 7-3 μ m波段附近雷射在醫療、科學研究及軍事等領域有著重要的應用。目前摻 Er3+雷射在2. 7-3 μ m的雷射已獲得較為廣泛的應用，然而摻Er3+的螢光為線狀譜，對於特定的基質，只能獲得1-2個固定波長的雷射，如Er:YSGG的2. 7和2. 79 μ m波長，而且需高濃度Er3+摻雜。Ho3+離子摻雜晶體的螢光為寬帶譜，可以獲得2. 8-3微米可調諧雷射。但在單摻Ho3+的雷射材料中，由於Ho3+在閃光燈及目前發展成熟的半導體雷射發射波段的吸收較弱，影響了泵浦效率。有文獻報導使用NchYAlO3W 1.08 μ m雷射，採用腔內泵浦的方式， 研究了 HoiYAIO3晶體在2. 844-3. 017 μ m波段雷射的調諧性能(參見W. S. Rabinovich, et al, Tunable laser pumped3 μ m HoiYAIO3 Laser, IEEE J Quan. Elect. ,1991, 27 :895.)。 但是這種雷射泵浦方式複雜，而且穩定性差，為了簡化結構，提高泵浦效率，對Ho3+離子進行敏化很有必要。由於能與InGaAs發射波長有效耦合，有較強吸收，並且％3+(2F5/2) 的發射帶和Ho3+(5I6)的吸收帶有一定的重疊，使得能對Ho3+進行敏化，將吸收的能量轉移給Ho3+離子，可達到提高對泵浦光吸收效率和降低雷射振蕩閾值的目的。有文獻對 Yb，Ho:YSGG(Y3Sc2Ga3O12)晶體進行過報導(參見 A. Diening，et al, Spectroscopy and diode-pumped laser oscillation of Yb3+, Ho3+_doped yttrium scandium gallium garnet, J App 1. Phys. 2000,87 :4063)。另外，A. F. Umyskov 等人發現在 Cr, Yb 共摻敏化的 Ho YSGG晶體中Cr3+ -Yb3+- Ho3+泵浦光能量轉換效率可超過90% (參見Efficient 3-μπι Cr3+: Yb3+:Ho3+: YSGG crystal laser, Quantum Electronics，1996，26 :771)，而且雷射實驗結果表明，Cr，Yb, Ho:YSGG有著比Cr，Er:YSGG晶體更高的增益。Y3Sc2Ga3O12 (YSGG)晶體中含有昂貴的鈧元素(Sc)和易揮發的鎵元素(Ga)，但使用 YAP做為基質，相對比較經濟，而且沒有揮發元素的影響。YAP晶體的熱導率(llW/m*K)也較高於YSGG晶體(8W/m · K)。此外，以YAP為基質的雷射晶體可以忽略熱雙折射效應帶來的不利影響，還可以實現小範圍調諧的偏振雷射輸出。因此。％，HoiYAP和Cr，Yb, HoiYAP 將會是非常有前途的2. 8-3 μ m新型雷射晶體。據檢索，目前國內外都還沒有關於％，HoiYAP和Cr，Yb, HoiYAP雷射晶體的報導。

發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種能夠在2. 8-3 μ m波段附近實現小範圍調諧偏振雷射輸出的％，HoiYAP和Cr，Yb, HoiYAP雷射晶體及其製備方法。本發明的技術解決方案一種2. 8-3微米雷射晶體，所述晶體的分子式為％， Ho:YAP或Cr，Yb, Ho:YAP，其中％是的簡寫，Ho是Ho3+的簡寫，所述Ho3+作為激活離子，Cr3+Jb3+作為Ho3+的敏化離子，所述YAP是鋁酸釔YAlO3的簡寫，其作為基質晶體，為敏化離子和激活離子提供一個晶格場。在％，Ho YAP中，作為敏化離子將吸收的泵浦光能量傳遞給激活離子Ho3+，在Cr，％，Ho YAP中，Cr3+將吸收的泵浦光能量首先傳遞給％3+，Yb3+ 再把能量傳遞給Ho3+，最後通過Ho3+離子5I6和5I7的兩個能級間躍遷，可以獲得2. 8-3 μ m 小範圍內調諧的偏振雷射。所述和Ho3+是取代基質晶體YAP中的Y3+離子，的取代濃度範圍為 5-20at%，HO3+的取代濃度範圍為0. l-5at%;Cr3+是取代基質晶體YAP中的Al3+離子，取代濃度範圍為0. 5-5at%。所述Yb，Ho YAP晶體適合940nm、970nm和980nm半導體雷射器泵浦，Cr，Yb， HoiYAP晶體適合使用脈衝氙燈作為泵浦源。所述的基質晶體是雙光軸晶體YAP。本發明的原理 3+單摻敏化或Cr3+，共摻敏化Ho3+的鋁酸釔(YAW3)雷射晶體，晶體結構屬於正交晶系，分子式為Yb, HoiYAP或Cr，Yb, Ho:YAP, Yb3+和Ho3+取代Y3+的位置，Cr3+取代Al3+的位置。其中Cr3+的取代濃度範圍為0. 5~5at%, Yb3+的取代濃度範圍為5-20at%，Ho3+的取代濃度範圍為0. l_5at%。在樸，徹丫々？中，作為敏化離子將吸收的泵浦光能量傳遞給激活離子Ho3+，在Cr，Yb, HoiYAP中，Cr3+將吸收的泵浦光能量首先傳遞給％3+，Yb3+再把能量傳遞給Ho3+，最後通過Ho3+離子％和5I7的兩個能級間躍遷，雷射波段範圍在2. 8-3 μ m。因此，Yb, Ho:YAP和Cr，Yb, Ho:YAP晶體有望分別成為適合LD泵浦和脈衝氙燈泵浦的高效雷射晶體。用它們輸出的2. 8-3 μ m波段雷射在醫療、科學研究及軍事等領域有著重要的應用。稀土摻雜的鋁酸釔YAP雷射晶體通常採用熔體法生長單晶，可以採用下述方法獲得尺寸較大且具有實用價值的單晶(1)固相法或液相法製備多晶原料按照下列化學反應式xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+(1-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al (1_x)03，其中 χ =O或者0. 005-0. 05，y = 0. 05-0. 2，ζ = 0· 001-0. 05，通過固相反應法或液相法製得Yb, Ho:YAP 和 Cr，Yb, Ho:YAP 多晶原料；(2)熔體法生長單晶使用上述固相法或液相法製備的％，Ho YAP或Cr，％，Ho YAP多晶原料，採用熔體法製備 Yb, Ho:YAP 或 Cr，Yb，HoYAP 單晶。所述固相法製備多晶原料的步驟為將氧化物原料按化學反應式xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al(1_x)03,按照設定的x，y，z的分別稱取某一固定值，將稱取的所述氧化物均勻混合併壓塊，在1250-1350°C空氣條件下燒結24-48小時，可得到％，Ho:YAP或Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料。所述液相法製備多晶原料為將氧化物原料按化學反應式xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ)Al2O3 = 20^1^03(^^1(4)3,其中按照所述設定的X，1，Z分別稱取某一固定值，將稱取的氧化物分別用HNO3溶解後均勻混合， 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11. 5-12. 5，經共沉澱後的混合液，用離心機離心得到凝膠狀前驅物，經洗滌，烘乾，最後在900-1100°C燒結10-14小時， 即可獲得％，Ho:YAP或Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料。所述熔體法生長單晶的方法為把所述固相法或液相法製備的500-600克％， Ho:YAP或Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料裝入直徑60_70mm的銥坩堝中，將銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱8-12小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑25-30mm等徑長度 80-100mm 的 Yb，Ho:YAP 或 Cr，Yb, Ho:YAP 單晶。本發明與現有技術相比的優點在於(1)在單摻Ho3+的雷射材料中，由於Ho3+在閃光燈及目前發展成熟的半導體雷射發射波段的吸收較弱，泵浦效率非常低。有文獻報導使用NchYAW3的1. 08 μ m雷射，採用腔內泵浦的方式，研究了 HckYAW3晶體在2. 844-3. 017 μ m波段雷射的調諧性能。但是這種雷射泵浦方式複雜，而且穩定性差。採用yb3+單摻敏化或Cr3+，Yb3+雙摻Ho3+的YAP晶體，可以使晶體適合目前發展比較成熟的半導體雷射或脈衝氙燈泵浦，簡化結構，提高泵浦效率。( 有文獻對Yb，Ho:YSGG及Cr，Yb，Ho:YSGG晶體的報導，但是由於 Y3Sc2Ga3O12(YSGG)晶體中含有昂貴的鈧元素(Sc)和易揮發的鎵元素(( )，使用YAP做為基質，相對比較經濟。另外，YAP晶體的熱導率(llff/m · K)也較高於YSGG晶體(8ff/m · K)。(3)以YAP為基質的雷射晶體，在較高功率泵浦條件下，由於其自然雙折射遠遠大於熱雙折射，因此可以忽略熱雙折射效應帶來的不利影響，如熱退偏損耗，提高了光束質量，也可以在較高的重複頻率下工作。(4)通過改變光場矢量在Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP晶體中的方向，還可以實現小範圍調諧的偏振雷射輸出。


圖1是採用半導體雷射器作為泵浦源實現本發明％，Ho:YAP晶體雷射輸出的一種實驗裝置圖；圖2是採用閃光燈作為泵浦源實現本發明Cr，Yb, HoiYAP晶體雷射輸出的一種實
驗裝置圖。
具體實施例方式實施例1生長Yb3+ 的濃度為 5at %，Ho3+ 濃度為 5at % 的 Yba 05Ho0.05Y0.9Α103 晶體Yb, Ho: YAP晶體是指的濃度在5_20at %之間，Ho3+離子的摻雜濃度在 0. l-5at%之間。本實施例中的濃度為5at%，Ho3+濃度為5at%。將氧化物原料按化學反應式:yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y203+A1203 = 2YbyHozY(1_y_z)A103 稱取，其中 y = 0. 05, ζ = 0.05，均勻混合併壓塊，使用固相法在1250°C燒結48小時，可得到％，Ho YAP多晶原料。把 500克％，HoiYAP多晶原料裝入直徑60mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉 /分鐘，生長拉速l_2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱10小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑25mm等徑長度IOOmm的％，Ho YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在940-970nm有寬的吸收帶，用940nm和970nm半導體雷射器激發得到了 2. 8-3 μ m的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效 2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例2生長Yb3+ 的濃度為 IOat %，Ho3+ 濃度為 Iat % 的 Yba 01Y0.89Α103 晶體Yb, Ho: YAP晶體是指的濃度在5_20at %之間，Ho3+離子的摻雜濃度在 0. l-5at%之間。本實施例中的濃度為IOatKHo3+濃度為lat%。將氧化物原料按化學反應式:yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y203+A1203 = 2YbyHozY(1_y_z)A103 稱取，其中 y = 0. 1, ζ = 0. 01，均勻混合併壓塊，使用固相法在1300°C燒結36小時，可得到％，Ho: YAP多晶原料。把 550克％，HckYAP多晶原料裝入直徑65mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉 /分鐘，生長拉速l_2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱12小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑^mm等徑長度90mm的％，HoiYAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在940-970nm有寬的吸收帶，用940nm和970nm半導體雷射器激發得到了 2. 8-3 μ m的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效 2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例3生長Yb3+ 的濃度為 20at %，Ho3+ 濃度為 0. 5at % 的 Yba 2Ho0.005Y0.795Α103 晶體Yb, Ho: YAP晶體是指的濃度在5_20at %之間，Ho3+離子的摻雜濃度在 0. l-5at%之間。本實施例中的濃度為20at%，HO3+濃度為0. 5at%。將氧化物原料按化學反應式:yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y203+A1203 = 2YbyHozY(1_y_z)A103 稱取，其中 y = 0.2,z = 0. 005，均勻混合併壓塊，使用固相法在1350°C燒結M小時，可得到％，HoiYAP多晶原料。 把650克％，HoiYAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中， 爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10 轉/分鐘，生長拉速l_2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱14小時， 經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑30mm等徑長度80mm的％，HoiYAP 單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在940-970nm有寬的吸收帶，用940nm和970nm 半導體雷射器激發得到了 2. 8-3μπι的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例4生長Yb3+ 的濃度為 15at%，Ho3+ 濃度為 2at% 的 Yba 15HoQ.Q2YQ.83A103 晶體Yb, Ho: YAP晶體是指的濃度在5_20at %之間，Ho3+離子的摻雜濃度在 0. l-5at%之間。本實施例中的濃度為15at%，Ho3+濃度為2at%。將氧化物原料按
7化學反應式:yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y203+A1203 = 2YbyHozY(1_y_z)A103，其中 y = 0. 15, ζ = 0. 02，將稱取的氧化物分別用適量HNO3溶解後均勻混合，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士0. 5左右，經共沉澱後的混合液，用離心機離心得到凝膠狀前驅物，經洗滌，烘乾，最後在1000°C燒結12小時可獲得％，Ho:YAP多晶原料。把600克 Yb, HoiYAP多晶原料裝入直徑60mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘， 生長拉速l_2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱12小時，經過下種， 放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑25mm等徑長度100mmm%，Ho:YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在可見光範圍有寬的吸收帶，用940nm和970nm波長半導體雷射器激發得到了 2. 8-3μπι的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效 2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例5生長Cr3+的取代濃度為0. 5at% Jb3+的取代濃度為IOat %，Ho3+取代濃度為Iat % W Cr0. oosYbo.iHoo. OiY0. S9Al0. Q95O3 日日日#Cr，Yb, HoiYAP晶體是指Cr3+的取代濃度在0. 5_5at%之間，Yb3+的取代濃度在 5-20at%之間，Ho3+離子的取代濃度在0. l-5at%之間。本實施例中Cr3+的取代濃度為 0. 5at%,Yb3+的取代濃度為IOat%，Ho3+取代濃度為Iat%。將氧化物原料按化學反應式 xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al(1_x)03 稱取，其中 χ = 0. 005,y = 0. Ι,ζ = 0. 01，均勻混合併壓塊，使用固相法在1250°C燒結48小時，可得到Cr， Yb, Ho:YAP多晶原料。把500克Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料裝入直徑60mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱10小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑25mm等徑長度IOOmrn的Cr，％，H0:YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在可見光範圍有寬的吸收帶，用460nm和640nm波長激發得到了 2. 8-3 μ m的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用脈衝氙燈泵浦實現高效2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例6生長Cr3+的取代濃度為2at %，Yb3+的取代濃度為5at %，Ho3+取代濃度為0. 5at % W Cr0. Q2Yb0.05Ho0.005Y0.945Α10.9803 日日日#Cr，Yb, Ho:YAP晶體是指Cr3+的取代濃度在0. 5_5at%之間，Yb3+的取代濃度在 5-20at%之間，Ho3+離子的取代濃度在0. l-5at%之間。本實施例中Cr3+的取代濃度為 2at%, Yb3+的取代濃度為5at%，Ho3+取代濃度為0. 5at%。將氧化物原料按化學反應式 xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al(1_x)03 稱取，其中 χ = 0. 02,y = 0. 05, z = 0. 005，均勻混合併壓塊，使用固相法在1300°C燒結36小時，可得到Cr， Yb, Ho: YAP多晶原料。把550克Cr，Yb, Ho: YAP多晶原料裝入直徑65mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱12小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑^mm等徑長度90mm的Cr，Yb, HoiYAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在可見光範圍有寬的吸收帶，用460nm和640nm波長激發得到了 2. 8-3 μ m的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用脈衝氙燈泵浦實現高效2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例7生長Cr3+的取代濃度為5at %，Yb3+的取代濃度為20at %，Ho3+的取代濃度為5at % 的 CratlJba2Hoatl5Ya75Ala95O3 晶體Cr，Yb, HoiYAP晶體是指Cr3+的取代濃度在0. 5_5at%之間，Yb3+的取代濃度在 5-20at%之間，Ho3+離子的取代濃度在0. l-5at%之間。本實施例中Cr3+的取代濃度為 5at%, Yb3+的取代濃度為20at%，Ho3+取代濃度為5at%。將氧化物原料按化學反應式 xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al(1_x)03 稱取，其中 χ = 0. 05，y = 0. 2，ζ = 0. 05，均勻混合併壓塊，使用固相法在1350°C燒結M小時，可得到Cr， Yb, Ho: YAP多晶原料。把600克Cr，Yb, Ho: YAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱14小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑30mm等徑長度80mm的Cr，Yb, HoiYAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在可見光範圍有寬的吸收帶，用460nm和640nm波長激發得到了 2. 8-3 μ m的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用脈衝氙燈泵浦實現高效2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例8生長Cr3+的取代濃度為Iat %，Yb3+的取代濃度為15at %，Ho3+的取代濃度為2at % 的 Cr0.01Yb0.15Ho0.02Y0.S3Al0.9903 晶體Cr，Yb, HoiYAP晶體是指Cr3+的取代濃度在0. 5_5at%之間，Yb3+的取代濃度在 5-20at%之間，Ho3+離子的取代濃度在0. l-5at%之間。本實施例中Cr3+的取代濃度為 Iat %, Yb3+的取代濃度為15at%，Ho3+取代濃度為2at%。將氧化物原料按化學反應式 xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al(1_x)03 稱取，其中 χ = 0.01,y = 0. 15,ζ = 0. 02，均勻混合併壓塊，使用固相法在1300°C燒結36小時，可得到Cr, Yb, Ho:YAP多晶原料。把600克Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱14小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑30mm等徑長度80mm的Cr，Yb, HoiYAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在可見光範圍有寬的吸收帶，用460nm和640nm波長激發得到了 2. 8-3 μ m的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用脈衝氙燈泵浦實現高效2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例9生長Cr3+的濃度為2at %, Yb3+的濃度為IOat %, Ho3+濃度為Iat %的 Cr0. Q2Yb0. iHoo. 01Υ0. S9Al0.9803 晶體Cr, Yb,Ho:YAP晶體是指Cr3+的濃度在0. 5_5at%之間Jb3+的濃度在
間，Ho3+離子的摻雜濃度在0. l-5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為2at%，Yb3+的濃度為IOat %，Ho3+濃度為Iat %。將氧化物原料按化學反應式xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al(1_x)03
其中χ = 0. 02，y = 0. 10, ζ = 0. 01，將稱取的氧化物分別用適量HNO3溶解後均勻混合，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 士 0. 5左右，經共沉澱後的混合液，用離心機離心得到凝膠狀前驅物，經洗滌，烘乾，最後在1100°C燒結8小時可獲得Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料。把550克Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料裝入直徑65mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱12小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑^mm等徑長度90mm的Cr，％，Ho YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在可見光範圍有寬的吸收帶，用460nm和640nm波長激發得到了 2. 8-3 μ m的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用脈衝氙燈泵浦實現高效2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例10生長Cr3+的濃度為3at %, Yb3+的濃度為8at %, Ho3+濃度為3at %的
Cr0. O3Yb0. O8Ho0. Q3Yo. 89^lo. 97〇3 HH ΦCr, Yb,Ho:YAP晶體是指Cr3+的濃度在0. 5_5at%之間Jb3+的濃度在
間，Ho3+離子的摻雜濃度在0. l-5at%之間。本實施例中Cr3+的濃度為3at%，Yb3+的濃度為Sat %，Ho3+濃度為3at %。將氧化物原料按化學反應式xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al(1_x)03其中χ = 0. 03，y = 0. 08，ζ = 0. 03，將稱取的氧化物分別用適量HNO3溶解後均勻混合，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，用離心機離心得到凝膠狀前驅物，經洗滌，烘乾，最後在1100°C燒結8小時可獲得Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料。把600克Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱10小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑30mm等徑長度IOOmm的Cr，Yb, Ho: YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發現晶體在可見光範圍有寬的吸收帶，用460nm和640nm波長激發得到了 2. 8-3 μ m的寬帶螢光譜，初步表明該晶體可以用脈衝氙燈泵浦實現高效2. 8-3 μ m小範圍調諧的雷射輸出。實施例11實現％，Ho YAP晶體2. 9 μ m波段附近雷射輸出的一種實驗裝置採用940nm半導體雷射器泵浦％，Ho YAP (Yb3+的取代濃度為IOat %，Ho3+的取代濃度為lat% )的晶體元件。實驗裝置如附圖1。圖中1是％，Ho:YAP長方體晶體雷射元件(3mmX 3mmX 6mm) ；2是940nm半導體雷射器；3是對2. 9 μ m附近波長全反射對940nm全透射的介質鏡；4是對2. 9 μ m附近波長部分透射對940nm全反射的介質鏡；5是雷射能量計；6是聚焦透鏡。實施例12實現Cr，Yb, HoiYAP晶體2. 9 μ m波段附近雷射輸出的一種實驗裝置採用脈衝氙燈泵浦Cr，Yb, Ho:YAP(Cr3+的摻雜濃度為2at%，Yb3+的摻雜濃度為10at%，Ho3+的摻雜濃度為lat% )的晶體元件。實驗裝置如附圖2。圖中a是Cr，％，HoiYAP晶體雷射棒(Φ4πιπιΧ60πιπι) ；b是閃光燈；c是對2. 9 μ m附近波長全反射的介質鏡；d是對2. 9 μ m附近波長部分透射的介質鏡；e是雷射能量計。
權利要求
1.一種2. 8-3微米雷射晶體，其特徵在於所述晶體的分子式為％，Ho:YAP或Crjb，Ho:YAP，其中％是％3+的簡寫，Ho是Ho3+的簡寫，所述Ho3+作為激活離子，Cr3+，Yb3+作為Ho3+的敏化離子，所述YAP是鋁酸釔YAW3的簡寫，其作為基質晶體，為敏化離子和激活離子提供一個晶格場。
2.根據權利要求1所述的2.8-3微米雷射晶體，其特徵在於所述和Ho3+是取代基質晶體YAP中的Y3+離子，的取代濃度範圍為5-20at%，Ho3+的取代濃度範圍為0. l-5at% ；Cr3+是取代基質晶體YAP中的Al3+離子，取代濃度範圍為0. 5-5at%。
3.根據權利要求書1所述的2.8-3微米雷射晶體，其特徵在於所述％，HoiYAP晶體適合940歷、970歷和980nm半導體雷射器泵浦，Cr，％，Ho:YAP晶體適合使用脈衝氙燈作為泵浦源。
4.根據權利要求書1所述的2.8-3微米雷射晶體，其特徵在於所述的基質晶體是雙光軸晶體YAP。
5.一種2. 8-3微米雷射晶體的製備方法，其特徵在於實現步驟如下(1)固相法或液相法製備多晶原料按照下列化學反應式xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z)Y2O3+ (l-χ)Al2O3 = 2CrJbyHozY(1丁Z)A1(1_X)03，其中 χ = 0,即沒有摻入Cr3+離子，或者x = 0. 005-0. 05，y = 0. 05-0. 2，ζ = 0. 001-0. 05，通過固相反應法或液相法製得％，Ho:YAP或Cr，％，Ho:YAP多晶原料；(2)熔體法生長單晶使用上述固相法或液相法製備的％，HckYAP或Cr，Yb, HCKYAP多晶原料後，再採用熔體法製備 Yb, Ho:YAP 或 Cr，Yb，HoYAP 單晶。
6.根據權利要求5所述的2.8-3微米雷射晶體的製備方法，其特徵在於所述固相法製備多晶原料的步驟為將氧化物原料按化學反應式xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHozY(1_y_z)Al(1_x)03,按照設定的x，y, ζ分別稱取某一固定值，將稱取的所述氧化物均勻混合併壓塊，在1250-1350°C空氣條件下燒結對-48小時，可得到％，Ho:YAP或Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料。
7.根據權利要求5所述的2.8-3微米雷射晶體的製備方法，其特徵在於所述液相法製備多晶原料的步驟為將氧化物原料按化學反應式xCr203+yYb203+zHo203+ (1-y-z) Y2O3+ (l-χ) Al2O3 = 2CrxYbyHOzYa_y_z)Al(1_x)03，其中按照所述設定的χ，y，ζ分別稱取某一固定值，將稱取的氧化物分別用HNO3溶解後均勻混合，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11. 5-12. 5，經共沉澱後的混合液，用離心機離心得到凝膠狀前驅物，經洗滌，烘乾，最後在900-110(TC燒結10-14小時，即可獲得％，Ho:YAP或Cr，Yb, Ho:YAP多晶原料。
8.根據權利要求5所述的2.8-3微米雷射晶體的製備方法，其特徵在於所述熔體法生長單晶的方法為把所述固相法或液相法製備的500-600克％，Ho:YAP或Cr，％，Ho:YAP多晶原料裝入直徑60-70mm的銥坩堝中，將銥坩堝放入雷射晶體提拉爐中，爐膛抽真空後充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化後再過熱8-12小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最後獲得直徑25-30ram等徑長度SO-IOOmm的％，Ho YAP或Cr，％，Ho:YAP 單晶。
全文摘要
一種2.8-3微米雷射晶體及其製備方法，所述晶體的分子式為Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP，其中Yb是Yb3+的簡寫，Ho是Ho3+的簡寫，所述Ho3+作為激活離子，Cr3+，Yb3+作為Ho3+的敏化離子，所述YAP是鋁酸釔YAlO3的簡寫，其作為基質晶體，為敏化離子和激活離子提供一個晶格場。在Yb，Ho:YAP中，Yb3+作為敏化離子將吸收的泵浦光能量傳遞給激活離子Ho3+；在Cr，Yb，Ho:YAP中，Cr3+將吸收的泵浦光能量首先傳遞給Yb3+，Yb3+再把能量傳遞給Ho3+，最後通過Ho3+離子5I6和5I7的兩個能級間躍遷，本發明可獲得在2.8-3μm小範圍內調諧的偏振雷射，這種波段的雷射在醫療、科學研究及軍事等領域有著重要的應用。
文檔編號C30B15/00GK102560663SQ201210031019
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月13日 優先權日2012年2月13日
發明者劉文鵬, 孫敦陸, 張慶禮, 李為民, 殷紹唐, 江海河, 秦清海, 羅建喬, 谷長江, 韓松 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院