CN101768779A - Yb3+或Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体及其生长方法 - Google Patents

Yb3+或Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体及其生长方法 Download PDF

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徐晓东
成诗恕
吴锋
李东振
程艳
周大华
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Abstract

一种Yb3+或Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体及其生长方法,所获得的Yb3+或Nd3+掺杂的LuxY3-xAl5O12激光晶体,晶体荧光光谱明显展宽,有望采用锁模技术,获得高功率、超快激光输出。

Description

Yb3+或Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体及其生长方法
技术领域
本发明涉及钇镥铝石榴石激光晶体(以下简称为LuxY3-xAl5O12),特别是一种Yb3+或Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体及其生长方法,Yb3+掺杂的钇镥铝石榴石(LuxY3-xAl5O12)是一种发光波长处于1030nm波段的激光晶体,它适合于InGaAs二极管泵浦;Nd3+掺杂的LuxY3-xAl5O12是一种发光波长处于1064nm波段的激光晶体,它适合于钛宝石激光器泵浦。
背景技术
近红外波段激光已成为当前学术界上的热点之一,Yb3+具有不存在激发态吸收、无上转换、可实现高掺杂浓度、量子效率高和荧光寿命长等优点,目前Yb3+通常采用发射波长在980nm附近的InGaAs二极管作为泵浦源;Nd3+具有泵浦阈值较低,吸收和发射截面较大等优点,通常采用钛宝石激光器(AlGaAs)作为泵浦源。Yb:YAG、Nd:YAG以及Yb:LuAG、Nd:LuAG晶体是优良的高功率激光增益介质,但是晶体相对窄的发射波长范围,使得晶体不能同时满足高效率、高功率和超短脉冲的激光输出。
发明内容
本发明的目的在于提出一种Yb3+或Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体及其生长方法,Yb3+或Nd3+掺杂的LuxY3-xAl5O12激光晶体,晶体荧光光谱明显展宽,有望采用锁模技术,获得高功率、超快激光输出。
本发明的具体实施方案如下:
一种Yb3+或Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体,其特点在于该晶体的结构式为:Yb3+:LuxY3-xAl5O12、Nd3+:LuxY3-xAl5O12,其中0<x<3。
所述的Yb3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,包括下列步骤:
<1>原料配方
所述的Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体的初始原料采用Yb2O3,Lu2O3,Y2O3,Al2O3,原料按摩尔比等于y∶x∶(3-x)∶5进行配料,其中y的取值范围为0.01~1.5,0<x<3;
<2>将所称取的原料充分混合均匀后在液压机上压制成块,然后装入坩埚内,采用熔体法生长Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体。
所述的生长方法为提拉法,坩埚材料为铱,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
所述的生长方法为坩埚下降法或温度梯度法,坩埚材料采用高纯石墨,坩埚底部不放籽晶,或放入严格定向的Lu3Al5O12单晶棒作籽晶,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
所述的Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,特征在于包括下列步骤:
<1>原料配方
Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体的初始原料采用Nd2O3,Lu2O3,Y2O3,Al2O3。原料按摩尔比等于z∶x∶(3-x)∶5进行配料,其中z的取值范围为0.005~1.5,0<x<3。
<2>将所称取的原料充分混合均匀后在液压机上压制成块,然后装入坩埚内,采用熔体法生长Nd3+:LuxY3-xAl5O12单晶。
所述的生长方法为提拉法,坩埚材料为铱,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
所述的生长方法为坩埚下降法或温度梯度法,坩埚材料采用高纯石墨,坩埚底部不放籽晶,或或放入严格定向的Lu3Al5O12单晶棒作籽晶,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
除以上方法外,也不排除使用其他方法生长晶体。
实验表明本发明采用Lu3+和Y3+混掺的方式生长出Yb3+:LuxY3-xAl5O12和Nd3+:LuxY3-xAl5O12单晶体,Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体在0.9~1.1μm有强的吸收,适合InGaAs激光二极管泵浦;Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体在790~820nm有强的吸收,适合用钛宝石激光器泵浦。
本发明的关键技术是改变传统的基质YAG或LuAG,将Y和Lu混掺得到基质LuYAG,这样荧光光谱得以拓宽,从而有利于超短脉冲锁模。超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度、高脉冲重复频率,宽的光谱和高的峰值功率,在物理、生物学、OCT、激光光谱学、光通信和激光精细加工等众多领域具有广泛的用途。
Yb3+:LuxY3-xAl5O12、Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体与Yb:YAG、Nd:YAG以及Yb:LuAG、Nd:LuAG等晶体相比,光谱明显展宽,Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体的吸收和发射带宽分别为13.66nm、13.64nm;Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体的吸收和发射带宽分别为6.72nm、4.45nm,大于Yb和Nd离子掺杂的YAG和LuAG晶体,有利于锁模,且容易生长出大尺寸单晶。
附图说明
图1为Yb3+:Lu1.5Y1.5Al5O12晶体的吸收光谱,
图2为Yb3+:Lu1.5Y1.5Al5O12晶体的发射光谱;
图3为Nd3+:Lu1.5Y1.5Al5O12晶体的吸收光谱,
图4为Nd3+:Lu1.5Y1.5Al5O12晶体的发射光谱。
具体实施方式
实施例1.
所述的Yb3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,包括下列步骤:
<1>原料配方
所述的Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体的初始原料采用Yb2O3,Lu2O3,Y2O3,Al2O3,原料按摩尔比等于y∶x∶(3-x)∶5进行配料,其中y=0.05,x=0.5。将原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于铱坩埚内,采用提拉法生长晶体,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
将上述生长的Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体切割成片,光学抛光后,在室温下测试其光谱性能,采用Jasco V-570UV/VIS/NIR分光光度计上测试吸收光谱。采用riax550荧光光谱仪上测试红外发射光谱,Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体的泵浦源采用波长为980nm的InGaAs激光二极管。图1为Yb3+:Lu1.5Y1.5Al5O12晶体的吸收光谱,图2为Yb3+:Lu1.5Y1.5Al5O12晶体的发射光谱,其中900~1000nm波段的强吸收带有利于采用InGaAs激光二极管进行泵浦;
Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体具有大的发射截面,荧光光谱宽,优于Yb3+:Lu3Al5O12和Yb3+:Y3Al5O12等晶体。
实验表明采用Lu3+和Y3+混掺的方式生长出Yb3+:LuxY3-xAl5O12,Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体在0.9~1.1μm有强的吸收,适合InGaAs激光二极管泵浦。这种晶体荧光光谱宽,有利于锁模实现超短脉冲激光输出。
实施例2.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.1,x=1.0称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于铱坩埚内,采用提拉法生长晶体,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
实施例3.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.3,x=1.5称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于铱坩埚内,采用提拉法生长晶体,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
实施例4.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.9,x=2.0称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于铱坩埚内,采用提拉法生长晶体,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
实施例5.
Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体的初始原料采用Nd2O3,Lu2O3,Y2O3,Al2O3。原料按摩尔比等于z∶x∶(3-x)∶5进行配料,其中z=0.01,x=0.5。将称量的原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于铱坩埚内,采用提拉法生长晶体,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。将上述生长的Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体切割成片,光学抛光后,在室温下测试其光谱性能,采用Jasco V-570UV/VIS/NIR分光光度计上测试吸收光谱。采用riax550荧光光谱仪上测试红外发射光谱,图3为Nd3+:Lu1.5Y1.5Al5O12晶体的吸收光谱,图4为Nd3+:Lu1.5Y1.5Al5O12晶体的发射光谱。其中800~815nm波段的强吸收带有利于采用钛宝石激光器进行泵浦。Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体同样具有大的发射截面,荧光光谱宽,优于Nd3+:Lu3Al5O12和Nd3+:Y3Al5O12等晶体。
实验表明采用Lu3+和Y3+混掺的方式生长出Nd3+:LuxY3-xAl5O12单晶体,Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体在790~820nm有强的吸收,适合用钛宝石激光器泵浦。这种晶体荧光光谱宽,有利于锁模实现超短脉冲激光输出。
实施例6.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.03,x=1.5称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于铱坩埚内,采用提拉法生长晶体,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
实施例7.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.09,x=2.0称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于铱坩埚内,采用提拉法生长晶体,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
实施例8.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.3,x=2.5称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于铱坩埚内,采用提拉法生长晶体,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
实施例9.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.05,x=0.5称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例10.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.1,x=1.0称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例11.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.3,x=1.5称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例12.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.9,x=2.0称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例13.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.01,x=0.5称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例14.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.03,x=1.5称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例15.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.09,x=2.0称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例16.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.3,x=2.5称量。混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例17.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.05,x=0.5称量。原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部放有经严格定向的Lu3Al5O12籽晶。装好原料的石墨坩埚放入坩埚下降炉内,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例18.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.1,x=1.0称量。原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部放有经严格定向的Lu3Al5O12籽晶。装好原料的石墨坩埚放入坩埚下降炉内,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例19.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.3,x=1.5称量。原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部放有经严格定向的Lu3Al5O12籽晶。装好原料的石墨坩埚放入坩埚下降炉内,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例20.
将Yb2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照y=0.9,x=2.0称量。原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部放有经严格定向的Lu3Al5O12籽晶。装好原料的石墨坩埚放入坩埚下降炉内,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例21.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.01,x=0.5称量。原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部放有经严格定向的Lu3Al5O12籽晶。装好原料的石墨坩埚放入坩埚下降炉内,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例22.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.03,x=1.5称量。原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部放有经严格定向的Lu3Al5O12籽晶。装好原料的石墨坩埚放入坩埚下降炉内,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例23.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.09,x=2.0称量。原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部放有经严格定向的Lu3Al5O12籽晶。装好原料的石墨坩埚放入坩埚下降炉内,在高纯Ar气氛中生长晶体。
实施例24.
将Nd2O3,Lu2O3,Y2O3和Al2O3高纯原料按照z=0.3,x=2.5称量。原料混合均匀后在液压机上压制成块,放于石墨坩埚内,坩埚底部放有经严格定向的Lu3Al5O12籽晶。装好原料的石墨坩埚放入坩埚下降炉内,在高纯Ar气氛中生长晶体。
上述实施例的晶体光谱分别与图1、图2、图3、图4类似,实验表明Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体具有大的发射截面,荧光光谱宽,优于Yb3+:Lu3Al5O12和Yb3+:Y3Al5O12等晶体;Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体同样具有大的发射截面,荧光光谱宽,优于Nd3+:Lu3Al5O12和Nd3+:Y3Al5O12等晶体。Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体在0.9~1.1μm有强的吸收,适合InGaAs激光二极管泵浦;Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体在790~820m有强的吸收,适合用钛宝石激光器泵浦。这两种晶体荧光光谱宽,有利于锁模实现超短脉冲激光输出。

Claims (7)

1.一种Yb3+或Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体,其特征在于该晶体的结构式为:Yb3+:LuxY3-xAl5O12、Nd3+:LuxY3-xAl5O12,其中0<x<3。
2.权利要求1所述的Yb3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,特征在于包括下列步骤:
<1>原料配方
所述的Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体的初始原料采用Yb2O3,Lu2O3,Y2O3,Al2O3,原料按摩尔比等于y∶x∶(3-x)∶5进行配料,其中y的取值范围为0.01~1.5,0<x<3;
<2>将所称取的原料充分混合均匀后在液压机上压制成块,然后装入坩埚内,采用熔体法生长Yb3+:LuxY3-xAl5O12晶体。
3.根据权利要求2所述的Yb3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,特征在于所述的生长方法为提拉法,坩埚材料为铱,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
4.根据权利要求2所述的Yb3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,特征在于所述的生长方法为坩埚下降法或温度梯度法,坩埚材料采用高纯石墨,坩埚底部不放籽晶,或放入严格定向的Lu3Al5O12单晶棒作籽晶,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
5.权利要求1所述的Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,特征在于包括下列步骤:
<1>原料配方
Nd3+:LuxY3-xAl5O12晶体的初始原料采用Nd2O3,Lu2O3,Y2O3,Al2O3。原料按摩尔比等于z∶x∶(3-x)∶5进行配料,其中z的取值范围为0.005~1.5,0<x<3。
<2>将所称取的原料充分混合均匀后在液压机上压制成块,然后装入坩埚内,采用熔体法生长Nd3+:LuxY3-xAl5O12单晶。
6.根据权利要求5所述的Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,特征在于所述的生长方法为提拉法,坩埚材料为铱,籽晶为严格定向的Lu3Al5O12单晶棒,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
7.根据权利要求5所述的Nd3+掺杂的钇镥铝石榴石激光晶体的生长方法,特征在于所述的生长方法为坩埚下降法或温度梯度法,坩埚材料采用高纯石墨,坩埚底部不放籽晶,或或放入严格定向的Lu3Al5O12单晶棒作籽晶,晶体生长在高纯Ar气氛中进行。
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