專(zhuān)利名稱(chēng)：一種共摻鐿敏化離子的銩離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光晶體材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2 μ m激光位于水的吸收峰(1. 93 μ m)附近，因此對(duì)組織的穿透深度淺，且對(duì)人體 安全，另外可用光纖傳輸，因此成為醫(yī)療上一種很好的外科手術(shù)光源。另外，2 μ m波段固體 激光器在遙感、環(huán)境保護(hù)和光通信等方面也有著重要的研究前景，是激光測(cè)距儀、相干多普 勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)、水蒸氣拋面差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)等的理想光源。同時(shí)，它還是獲得3 5 μ m 和8 12 μ m波段光學(xué)參量振蕩器的理想抽運(yùn)源。因此從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，人們圍繞 如何提高2 μ m波段激光器的輸出功率和效率，從材料到器件的多方位研究。除此之外， 2. 0 μ m波段激光在工農(nóng)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)上也有著廣泛的應(yīng)用前景，一旦研制成功，把所 研究的晶體及其器件推向高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，將產(chǎn)生非?？?觀的經(jīng)濟(jì)效益；還可以用來(lái)遠(yuǎn) 距離探測(cè)化學(xué)物質(zhì)，在反化學(xué)戰(zhàn)和環(huán)境保護(hù)中起到關(guān)鍵性的作用。在摻雜Tm3+離子的激光晶體中，Tm3+離子3F4 — 3H6躍遷可產(chǎn)生1. 8 2. 1 μ m波 段的激光。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，已有多種離子摻雜的不同激光基質(zhì)晶體上實(shí)現(xiàn)了該波段激光， 例如 Tm:YAG，Ho:YAG, Yb, Tm, Ho:YAG, Tm:YAP, Tm, Ho:YLF, Tm:YLF, Ho:YLF 等。其中 Eric， Honea報(bào)道用六個(gè)InAlGaAs激光二極管陣列(460W)作為泵浦源，采用特殊的激光腔設(shè)計(jì)， 用Tm(2 4at% ) :YAG作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了 2. Olym波長(zhǎng)的115W連續(xù)輸出，這是迄今 Tm:YAG輸出的最大功率。同時(shí)Yb3+離子也可以有效地敏化Tm3+離子，可以采用980nm半導(dǎo) 體泵浦來(lái)實(shí)現(xiàn) 2. Oym波段的激光輸出，Zendzian報(bào)道了 Yb，Tm，Ho: YAG激光器平均輸出 功率為17W，斜率效率2%，這是目前Yb，Tm, HoiYAG激光器最高的輸出水平。Gd3Ga5O12(GGG)屬于立方晶系，晶胞參數(shù)為《3= 12. 38A, Z = 8, Dc = 7. 083g/cm3。 釓鎵石榴石Gd3Ga5O12(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(diǎn)高的熱導(dǎo)率(SWnT1K-1)、低的熱光效應(yīng)、較低的聲子能量、可以采用熔體提拉法生 長(zhǎng)大尺寸的晶體、具有良好的物化性能，不溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿，硬度高，激光損傷閾值高、對(duì)于稀 土摻雜離子，在相應(yīng)的泵浦波長(zhǎng)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(yīng)用于高功率熱容激光器、具有較低的熔點(diǎn)，約為1725°C，(例如比YAG低 200°C)。與YAG和YSGG晶體相比較，稀土激活的Gd3Ga5O12晶體具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)(1) 采用提拉法生長(zhǎng)的NchGd3Ga5O12晶體，容易實(shí)現(xiàn)平界面生長(zhǎng)，不會(huì)產(chǎn)生由雜質(zhì)、應(yīng)力等引起 的核心，整個(gè)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(yīng)用于高功率熱容激光器的激光基質(zhì)材料。(3)Gd3Ga5012的聲子 能量較低(約為500 eOOcm—1)，這有利于減少激光晶體的無(wú)輻射躍遷幾率，從而增加激光 發(fā)射功率和效率，對(duì)于 3um波段激光具有高的量子效率；(4) GGG晶體的熔點(diǎn)較低(約為 17250C )，比YAG和YSGG約低200°C，有利于晶體的生長(zhǎng)；(5) Gd的半徑比Y離子大，容易進(jìn) 行稀土離子的摻雜，有利于生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體；(6)由于YSGG所用的Sc2O3價(jià)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(dǎo)率也比YSGG高。
Nd Gd3Ga5O12作為一種優(yōu)秀的固體熱容激光工作介質(zhì)，近年來(lái)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外 的廣泛關(guān)注。目前，在國(guó)際上，向美國(guó)利夫莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供晶體的公司生長(zhǎng)的晶體尺寸 已經(jīng)達(dá)到Φ 100 Φ150πιπι(1 4)，在2003年，美國(guó)實(shí)驗(yàn)室采用LD泵浦的NchGd3Ga5O12激光 器激光輸出的平均功率突破了 10KW，在2004年則達(dá)到了 30KW，其近期的目標(biāo)是達(dá)到100KW。 在國(guó)內(nèi)，中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所等幾個(gè)單位也投入了大量的人力物力進(jìn)行研究， 目前生長(zhǎng)的晶體尺寸已經(jīng)達(dá)到Φ80πιπι，采用激光二極管陣列泵浦下，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)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。另外由于Tm3+離子3F4 — 3H6躍遷可 產(chǎn)生1. 8 2. 1 μ m波段的激光，同時(shí)Yb3+離子也可以有效地敏化Tm3+離子，可以采用 980nm半導(dǎo)體泵浦來(lái)實(shí)現(xiàn) 2. 0 μ m波段的激光輸出，因此Yb3+ = Tm3+Gd3Ga5O12是一種優(yōu)秀 的、1. 8 2. 1 μ m波段的新型激光晶體。目前研究的重點(diǎn)主要是集中在Nd激活的GGG高 功率熱容激光晶體，對(duì)于其它激活離子摻雜的Gd3Ga5O12激光晶體的研究較少，特別是對(duì)于 ￥133+:1^3+6(1御5012激光晶體的生長(zhǎng)、光譜和激光性能的研究，目前國(guó)內(nèi)外都尚未有研究報(bào) 道。我們生長(zhǎng)合成的Yb3+:Tm3+Gd3Ga5012晶體，從測(cè)量的熒光光譜圖(如附圖所示)可以看 至IJ，在1. 8 2. 1 μ m波段存在有強(qiáng)的寬帶熒光發(fā)射峰，測(cè)定的Tm3+離子的熒光發(fā)射壽命為 4. 14ms,發(fā)射截面為10_21量級(jí)，完全可以實(shí)現(xiàn)1. 8 2. 1 μ m波段激光的輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開(kāi)一種能夠?qū)崿F(xiàn)1. 8 μ m 2. 1 μ m波段激光輸出的激光晶體 材料 Yb Tm Gd3Ga5O12。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案本發(fā)明制備的共摻鐿敏化離子的銩離子激活的釓鎵石榴石新型激光晶體，該晶 體材料化學(xué)式為Yb:Tm:Gd3Ga5012，屬于立方晶系，晶胞參數(shù)為a= 12. 38A, Z = 8，Dc = 7. 083g/cm3。該激光晶體材料的制備方法，采用4N的Gd2O3、Ga2O3、Tm2O3、Yb2O3作為原料，通過(guò)高 溫固相反應(yīng)獲得Yb:Tm = Gd3Ga5O12原料，在還原氣氛下采用提拉法生長(zhǎng)晶體。該激光晶體材料用于實(shí)現(xiàn)1. 8 2. 1 μ m波段激光輸出。


附圖為測(cè)量的熒光光譜圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一 Yb:Tm:Gd3Ga5O12晶體的生長(zhǎng)制備晶體提拉法生長(zhǎng)所用的儀器是D幾-400的中頻提拉爐，中頻電源型號(hào)為 KGPF25-0. 3-2. 5。采用Pt/Pt-Rh的熱電偶和型號(hào)為815EPC的歐路表控溫。所采用的坩堝 是055mmX30mm的銥坩堝，所用的原料是4N級(jí)的Gd203、Ga203、Tm2O3、Yb2O3。根據(jù)下列化學(xué) 反應(yīng)式配制原料(3-x) Gd2O3+ (5-y) Ga203+xTm203+y Yb2O3 — 2Gd(3_x) TmxYbyGa (5_y) O12X = Iat % 15at%;y = 0. Iat% 5at%;Yb203的重量是原料總重量的0. 5wt% 3wt%。把原料混合 均勻，壓成片狀，放進(jìn)鉬坩堝，置入普通燒結(jié)爐中，以150°C /h緩慢升溫到1080°C，保持48h， 重復(fù)此過(guò)程，然后放入高溫?zé)Y(jié)爐中在1350°C下恒溫?zé)Y(jié)72h，取出多晶料，直至X射線(xiàn)粉 末衍射與標(biāo)準(zhǔn)卡片完全相符為止。 把原料裝入055mmX30mm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，使得爐子內(nèi)的氣壓達(dá)到-0. OlPa，再充入高純還原氣體使得氣壓達(dá)到0. 04MPa，然 后升溫到比熔點(diǎn)高50°C的溫度，恒溫1小時(shí)，使得原料熔化完全。以[111]方向的GGG晶體 作為籽晶生長(zhǎng)大尺寸的優(yōu)質(zhì)晶體。生長(zhǎng)過(guò)程中，籽晶桿的提拉速率為1. 3 1. 5mm/h,降溫 速率為2 10°C /h,籽晶桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為12 20r. p. m.，生長(zhǎng)結(jié)束后將晶體提離液面，以 10 30°C /h的速率降至室溫，得到尺寸為Φ30πιπιΧ30πιπι的透明晶體。
權(quán)利要求
一種共摻鐿敏化離子的銩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(xué)式為Yb:Tm:Gd3Ga5O12，屬于立方晶系，晶胞參數(shù)為Z＝8，Dc＝7.083g/cm3。F2009101112361C0000011.tif,F2009101112361C0000012.tif
2.—種權(quán)利要求1的激光晶體材料的制備方法，其特征在于采用Gd203、Ga203> Tm203、 Yb203作為原料，通過(guò)高溫固相反應(yīng)獲得Yb:Tm:Gd3Ga5012原料，在還原氣氛下采用提拉法生 長(zhǎng)晶體。
3.—種權(quán)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(shí)現(xiàn)1.8 2. 1微 米波段的激光輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光晶體材料領(lǐng)域。該晶體材料的化學(xué)式為Yb:Tm:Gd3Ga5O12，屬于立方晶系，晶胞參數(shù)為、Z＝8，Dc＝7.083g/cm3。采用4N的Gd2O3、Ga2O3、Tm2O3、Yb2O3作為原料，通過(guò)高溫固相反應(yīng)獲得Yb:Tm:Gd3Ga5O12原料，在還原氣氛下采用提拉法生長(zhǎng)晶體。該材料用于實(shí)現(xiàn)1.8～2.1μm波段激光輸出。
文檔編號(hào)H01S3/16GK101831707SQ20091011123
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者周涵, 朱昭捷, 李堅(jiān)富, 涂朝陽(yáng), 游振宇, 王燕 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所