CN101643935A - 2μm波段K(Yb/Tm)W激光晶体 - Google Patents

Abstract

2μm波段K(Yb/Tm)W激光晶体，输出2μm波段的激光，具有低阈值、高增益的特点，所制作的激光器激光输出效率高，属于光电子材料领域。现有能够产生这种激光的激光晶体其基质材料为钨酸钆钾、钨酸钇钾等，由于缺少敏化离子，导致增益低，采用所述激光晶体制作的激光器激光输出效率低。虽然现有KYbW激光晶体含有敏化离子，但是，其激光输出波长是在0.98～1.08μm范围内。本发明激光晶体基质为钾及稀土复合钨酸盐，掺有2μm波段激活离子，基质中的稀土离子为Yb³⁺或者Tm³⁺。应用于激光测距、激光雷达、光电干扰、遥感、环境检测、光通讯以及医疗等领域。

Description

2μm波段K(Yb/Tm)W激光晶体

技术领域

本发明涉及一种2μm波段K(Yb/Tm)W激光晶体，输出2μm波段的激光，具有低阈值、高增益的特点，所制作的激光器激光输出效率高，属于光电子材料领域。

背景技术

2μm波段的激光具有大气传输特性好、烟雾穿透能力强、保密性好等特点，被应用于激光测距、激光雷达、光电干扰、遥感、环境检测、光通讯等领域。另外，2μm波段的激光在水中有较强吸收，从而不仅对人眼安全，而且能够精确介入生物组织，在医疗领域如眼科手术也有应用价值。现有能够产生这种激光的激光晶体其激活离子主要有Ho³⁺(钬)、Tm³⁺(铥)或者二者双掺，以及Ho³⁺、Yb³⁺双掺，其中，Tm³⁺、Yb³⁺还是一种敏化离子。基质材料为KGW(钨酸钆钾)、KYW(钨酸钇钾)等，所制备的激光晶体有Ho:KGW、Ho:KYW、Ho:Yb:KGW、Tm:Ho:KGW等。敏化离子的作用在于向激活离子传递能量，从而降低激光振荡阈值，提高增益。前两种激光晶体由于缺少敏化离子，增益低；而后两种激光晶体虽然具有敏化离子，但是，只是作为掺杂加入，因而含量低，增益提高不明显。采用所述激光晶体制作的激光器激光输出效率低。

KYbW晶体是一种激光晶体，它的吸收波长在930～980nm范围内，它的激光输出波长在0.98～1.08μm范围内。在KYbW晶体中，Yb³⁺既作为基质的组成部分，又作为激活离子，不存在因离子半径的不同所引起的晶格畸变的问题。然而，该激光晶体的激光输出波长不在2μm波段内。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提高激光晶体中敏化离子的含量，为此，我们提出一项题为2μm波段K(Yb/Tm)W激光晶体的方案。

本发明是这样实现的，激光晶体基质为钾及稀土复合钨酸盐，其特征在于，掺有2μm波段激活离子，基质中的稀土离子为Yb³⁺或者Tm³⁺。

该方案其技术效果在于，由于敏化离子Yb³⁺或者Tm³⁺是在基质中引入，因而能够在激光晶体中引入大量的敏化离子。并且，基于掺杂中稀土离子如Ho³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺与基质中稀土离子如Yb³⁺、Tm³⁺的匹配关系，前者能够取代后者的晶格位置，因而掺杂浓度能够达到5～10at.％。因此，按照本发明之方案，所制备的激光晶体的激光振荡阈值大为降低，增益明显提高。本发明之激光晶体基质属于低对称单斜晶系，这种晶系所具有的吸收峰宽、荧光寿命长、热效应小等优点则同样为本发明之激光晶体所具有。更适合采用LD泵浦，更适于制作薄片或微片激光器，实现的固体激光器的小型化和集成化。

具体实施方式

本发明是这样实现的，激光晶体基质为钾及稀土复合钨酸盐，掺有2μm波段激活离子，基质中的稀土离子为Yb³⁺或者Tm³⁺，即基质有两类，一类为KYbW，具体的激光晶体包括Ho:KYbW、Tm:KYbW、Ho:Tm:KYbW；另一类基质为KTmW，具体的激光晶体包括Ho:KTmW、Ho:Yb:KTmW。也就是在基质KYbW中掺有Ho³⁺，或者掺有Tm³⁺，或者掺有Ho³⁺和Tm³⁺。在基质KTmW中掺有Ho³⁺，或者掺有Ho³⁺和Yb³⁺。

下面以掺钬钨酸镱钾为例进一步说明本发明。基质为钨酸镱钾，分子式为KYb(WO₄)₂，简式为KYbW，掺杂激活离子为Ho³⁺，获得的激光晶体简式为Ho:KYbW，其生长工艺如下：

所使用的原料纯度为，K₂CO₃：优级纯，Ho₂O₃：99.99％，Yb₂O₃：99.99％，WO₃：99.999％。

(1)按摩尔比(K₂CO₃)∶(WO₃)＝1∶2进行配料，在600℃温度下烧结48小时使碳酸盐分解，生成助熔剂K₂W₂O₇，反应式如下：

K₂CO₃+2WO₃→K₂W₂O₇+CO₂↑

(2)按摩尔比(WO₃)∶(K₂CO₃)∶(Yb₂O₃)∶(Ho₂O₃)＝4∶1∶(1-x)∶x进行配料，经过均匀混料，在900℃温度下烧结48小时进行固相反应，生成Ho:KYbW多晶料，反应式如下：

K₂CO₃+xHo₂O₃+(1-x)Yb₂O₃+4WO₃→2KHo_xYb_1-x(WO₄)₂+CO₂↑

(3)研磨助熔剂K₂W₂O₇与Ho:KYbW多晶料，用混料机充分混合，放入铂坩锅中加热至过饱和温度以上80℃，恒温15h，使其充分熔化。

(4)采用顶部籽晶提拉法(TSSG)生长b轴晶体，设备为晶体生长提拉机，电阻丝加热炉体，铂坩锅尺寸为Ф60mm×50mm，采用Pt-Rh/Pt热电偶测温，采用控温仪控温。引晶温度为880～900℃，转速为10～15r/min，拉速为1～2mm/d，降温速率为0.05～0.10℃/h，生长周期为10～15d。

所制备的Ho:KYbW激光晶体尺寸为25×25×15mm³，激光峰值波长2.1μm，空间群为C_2h ⁶＝C2/c，属于低对称单斜晶系，晶格常数为

β＝130.65°，Z＝4，结构上各向异性，吸收和发射光谱因而呈现强烈的各向异性，掺杂浓度为10at.％，吸收峰半峰宽为90nm)、荧光寿命达1.5ms、阈值为70mW、增益截面达2.5×10^-20cm²、效率为58％。

下面再以掺钬钨酸铥钾为例进一步说明本发明。基质为钨酸铥钾，分子式为KTm(WO₄)₂，简式为KTmW，掺杂激活离子为Ho³⁺，获得的激光晶体简式为Ho:KTmW，其生长工艺如下：

所使用的原料纯度为，K₂CO₃：优级纯，Ho₂O₃：99.99％，Tm₂O₃：99.99％，WO₃：99.999％。

(1)按摩尔比(K₂CO₃)∶(WO₃)＝1∶2进行配料，在600℃温度下烧结48小时使碳酸盐分解，生成助熔剂K₂W₂O₇，反应式如下：

K₂CO₃+2WO₃→K₂W₂O₇+CO₂↑

(2)按摩尔比(WO₃)∶(K₂CO₃)∶(Tm₂O₃)∶(Ho₂O₃)＝4∶1∶(1-x)∶x进行配料，经过均匀混料，在900℃温度下烧结48小时进行固相反应，生成Ho:KTmW多晶料，反应式如下：

K₂CO₃+xHo₂O₃+(1-x)Tm₂O₃+4WO₃→2KHo_xTm_1-x(WO₄)₂+CO₂↑

(3)研磨助熔剂K₂W₂O₇与Ho:KTmW多晶料，用混料机充分混合，放入铂坩锅中加热至过饱和温度以上80℃，恒温15h，使其充分熔化。

(4)采用顶部籽晶提拉法(TSSG)生长b轴晶体，设备为晶体生长提拉机，电阻丝加热炉体，铂坩锅尺寸为Ф60mm×50mm，采用Pt-Rh/Pt热电偶测温，采用控温仪控温。引晶温度为920～940℃，转速为10～15r/min，拉速为1～2mm/d，降温速率为0.05～0.10℃/h，生长周期为10～15d。

所制备的Ho:KTmW激光晶体尺寸为28×28×18mm³，激光峰值波长2.1μm，空间群为C_2h ⁶＝C2/c，属于低对称单斜晶系，晶格常数为

β＝130.5°，Z＝4，结构上各向异性，吸收和发射光谱因而呈现强烈的各向异性，掺杂浓度为10at.％，吸收峰半峰宽60nm、荧光寿命1.8ms、阈值90mW、增益截面2.6×10^-20cm²、效率62％。

Claims (3)

1、一种2μm波段K(Yb/Tm)W激光晶体，激光晶体基质为钾及稀土复合钨酸盐，其特征在于，掺有2μm波段激活离子，基质中的稀土离子为Yb³⁺或者Tm³⁺。

2、根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，在基质KYbW中掺有Ho³⁺，或者掺有Tm³⁺，或者掺有Ho³⁺和Tm³⁺。

3、根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，在基质KTmW中掺有Ho³⁺，或者掺有Ho³⁺和Yb³⁺。