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雷射晶體的製作方法

2023-05-19 13:21:11 1

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雷射晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射晶體材料領域。
背景技術：
2.6 3.0um波段的雷射在大氣遙感、紅外雷射雷達、雷射醫療和國防安全 等領域具有廣闊應用前景，特別是3.0um 5.0pm波段的中紅外雷射，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 防安全和環保上，由於該波段或是位於大氣的傳輸窗口，是光電對抗和反導中 必須依靠和應用的幹擾源；因為是處於"分子指紋"區的緣故，還可以用來遠 距離探測化學物質，在反化學戰和環境保護中起到關鍵性的作用。
Er3+離子激活的雷射晶體均可產生相應於4111/2—4113/2躍遷的2. 6 3. 0 y m波 段的雷射發射。目前，已有報導採用氙燈泵浦Er:Y3Al5012 (YAG)雷射晶體可以 在2. 940um波段產生3. 8W(10Hz， 380mJ)的雷射輸出，在市場上已經商業化。在 1994年德國Bradley. J報導了採用 970nm波段的LD雷射泵浦Er3+:YAG、 Er3 + :0( ^5012和Er:Y3Sc2Ga3012 (YSGG)雷射晶體，分別在2.937um、 2.821um和 2.797um波段實現了 143mW、 155mW和190mW的雷射輸出，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諧雷射波 段。另外，由於E,的4113/2—4115/2躍遷產生1.54um雷射，與4111/2—4113/2躍遷產生2. 6 3. 0 u m雷射形成強烈的競爭，使得2. 6 3. 0 u m波段的雷射閾值很高， 轉換效率很低，然而當共摻P,敏化離子時，可以減小Er3+雷射下能級4113/2的壽 命，抑制E,離子產生1. 54um雷射4113/2—4115/2躍遷的競爭，從而有利於2. 6 3.0um波段雷射的輸出，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)屬於立方晶系，晶胞參數為a= 12. 38A，》8， Dc=7. 083g/cm3。 釓鎵石榴石Gd3Ga^2(GGG)是一種優秀的雷射基質材料，作為雷射基質材料，它 具有以下許多優點高的熱導率(8 Wm—10、低的熱光效應、較低的聲子能量、 可以採用熔體提拉法生長大尺寸的晶體、具有良好的物化性能，不溶於強酸強 鹼，硬度高，雷射損傷閾值高、對於稀土摻雜離子，在相應的泵浦波長處具有 較大的吸收截面，並具有較大的發射截面、具有高的熱容，因此可以應用於高 功率熱容雷射器、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點(1) 採用提拉法生長的Nd:Gd3Gas(^晶體，容易實現平界面生長，不會產生由雜質、 應力等引起的核心，整個橫截面都可以有效利用，有利於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於高功率熱容雷射器的 雷射基質材料。(3) G4GasCd2的聲子能量較低(約為500 600cm—。，這有利於 減少雷射晶體的無輻射躍遷機率，從而增加雷射發射功率和效率，對於 3um波 段雷射具有高的量子效率；(4) GGG晶體的熔點較低(約為1725°C)，比YAG和 YSGG約低200。C，有利於晶體的生長；(5) Gd的半徑比Y離子大，容易進行稀土離子的摻雜，有利於生長高質量的晶體；(6)由於YSGG所用的ScA價格較昂 貴，成本較高，因此與YSGG相比較，GGG雷射晶體的成本較低，並且熱導率也比 YSGG高。
Nd:Gd3Ga5(X2作為一種優秀的固體熱容雷射工作介質，近年來已經引起了國 內外的廣泛關注。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達到4)100 (H50mm" 4)，在2003年，美國實驗室採用 LD泵浦的Nd:Gd3Gas(^雷射器雷射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，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 達到4)80mm，採用雷射二極體陣列泵浦下，實現了重複頻率為50Hz，平均功率 高於3500瓦的雷射輸出。
顯然地，GGG是一種優良的雷射基質晶體。由於E,的4113/2—4115/2躍遷產生 1.54um雷射，與4111/2—4113/2躍遷產生2.6 3.0um雷射形成強烈的競爭，使得 2.6 3.0um波段的雷射閾值很高，轉換效率很低，在Gd3Ga^2中E +雷射上 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+雷射上能級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 +雷射下能級4113/2的壽命 (7. 25ms)短，因此，相對於YAG， Gd3Ga5012 (GGG)晶體更適合於作為2. 6 3. 0 u m 波段的雷射基質材料。
目前研究的重點主要是集中在Nd激活的GGG高功率熱容雷射晶體，對於其它激活離子摻雜的Gd3Gas(V雷射晶體的研究較少，特別是對於Cr3+:E +:Pr3+摻 雜的Gd3Ga^2雷射晶體的生長、光譜和雷射性能的研究，目前國內外都尚未有研 究報導。我們生長合成的Cr3+:E,:Pr3+摻雜的Gd3Ga50i2晶體，從測量的螢光光 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等幾個強發射峰，觀U定的E,離子在1. 54 u m的螢光發射壽 命為0.38ms，而E一+: Gd3GaA2在相應波段的螢光發射壽命為4.8ms，可見摻雜 Pr3+離子的敏化可以大大地抑制Er3+離子產生1.54um雷射4113/2—4115/2躍遷的競 爭，有利於2.6 3.0ym波段雷射的輸出，有望大大地提高量子效率。

發明內容
本發明的目的在於公開一種能夠實現2600nm 3000 nm波段可調諧雷射輸 出的雷射晶體材料Cr: Er: Pr: Gd3Ga5012。
本發明製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雷射晶 體，其化學式為Cr:Er:Pr:Gd3Ga必2，屬於立方晶系，晶胞參數為a= 12. 38A，步8， Dc=7. 083g/cm3。
採用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，在氮氣氣氛條件下採用提拉法生長晶體。
本發明製備的雷射晶體材料用於實現2600nm 3000 nm波段可調諧雷射輸出。


圖1為雷射晶體材料Cr:Er:Pr:Gd3Ga必2的離子敏化機理。圖2為雷射晶體材料Cr:Er:Pr:Gd3Ga必2的螢光光譜圖。
具體實施例方式
實施例1: Cr:Er:Pr:Gd3GaA2晶體的生長製備
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。採用Pt/Pt-Rh的熱電偶和型號為815EPC的歐路表控溫。所採 用的坩堝是O55mmX30mm的銥坩堝，所用的原料是4N級的Gd203、 Ga203 、 Er203、 Cr203、 Pr203。根據下列化學反應式配製原料
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，置於鉑坩堝中，以150°C/h緩慢升溫到燒結 的預定溫度，重複此過程，直至X射線粉末衍射的結果不變為止。
把原料裝入O55mmX30mm的銥坩堝內，為了避免銥坩堝的氧化，首先抽出 爐子內的空氣體，使得爐子內的氣壓達到10-3Pa，再把0.04MPa的氮氣充入， 然後升溫到比熔點高500C的溫度，恆溫1小時，使得原料熔化完全。在鉑-銥 絲上自然成核結晶，並開始生長。籽晶杆的提拉速率為1.3 1.5 mm/h，降溫速 率為2 10° C/h，籽晶杆的轉動速率為12 20r.p.m.，生長結束後，將晶體提 離液面，然後以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雷射晶體，其特徵在於該晶體材料的化學式為Cr:Er:Pr:Gd3Ga5O12，屬於立方晶系，晶胞參數為a＝12.38 top= "52" left = "30"/>Z＝8，Dc＝7.083g/cm3。。
2. —種權利要求1的雷射晶體材料的製備方法，其特徵在於採用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，在氮氣氣氛條件下採用提拉法生長晶體。
3. —種權利要求1的雷射晶體材料的用途，其特徵在於該材料用於實現 2600nm 3000 nm波段可調諧雷射輸出。
全文摘要
本發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雷射晶體。該晶體材料的化學式為Cr:Er:Pr:Gd3Ga5O12。採用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，在氮氣氣氛條件下採用提拉法生長晶體。該材料用於實現2600nm～3000nm波段可調諧雷射輸出。
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 優先權日2008年7月3日
發明者朱昭捷, 李堅富, 塗朝陽, 遊振宇, 燕 王 申請人:中國科學院福建物質結構研究所