CN101864597A - 钬铥双掺镓酸钆激光晶体 - Google Patents

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刘景和
张莹
曾繁明
张学建
李春
林海
金银锁
秦杰明
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Abstract

钬铥双掺镓酸钆激光晶体属于光电子材料领域。现有技术中掺有稀土激活离子的的复合钨酸盐、稀土钒酸盐、铝酸盐或者氟化物受其组成、结构等方面因素所限，或此或彼地存在晶体生长周期长、生长温度高、生长困难、成晶率、晶体尺寸小等问题。本发明之钬铥双掺镓酸钆激光晶体其特征在于掺有2μm波段稀土激活离子钬和铥，分子式为Ho:Tm:GdGaO3，属于正交晶系，激光晶体基质为镓酸钆晶体。本发明可应用于激光器件制造领域。

Description

钬铥双掺镓酸钆激光晶体
技术领域
本发明涉及一种钬铥双掺镓酸钆激光晶体，属于正交晶系，分子式为Ho:Tm:GdGaO3，简式为Ho:Tm:GGP，输出2μm波段的激光，具有生长周期短、完整性好、成晶率高、阈值低、发光效率高等特点，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2μm波段激光的激光晶体第一类是掺有稀土激活离子的复合钨酸盐，如Ho:KGW、Ho:KYW、Ho:Yb:KGW、Tm:Ho:KGW等，该类晶体属单斜晶系，采用顶部籽晶提拉法生长，为了避免因高温生长而发生的相变，需要在熔体中加入助熔剂，使得生长过程在相变温度下进行，而助熔剂的加入量通常为助熔剂与溶质摩尔比达4∶1，这一措施导致熔体中溶质减少，因而生长速率减慢，生长周期长，所生长的激光晶体尺寸小，如生长速率为1～2mm/d，生长周期为10～15d，晶体尺寸为25×25×15mm3。第二类是掺有稀土激活离子的稀土钒酸盐，如Ho:YVO4、Ho:GdVO4，该类晶体属四方晶系，在生长过程中不存在相变，故与单斜晶系晶体相比，生长速率高、周期短，但是，其生长原料熔点高，因此，生长温度高，如Ho:YVO4的生长温度为1810℃，易因挥发而导致偏析；所生长的晶体易开裂、有色心，导致成晶率低；另外，该类晶体热稳定性能差。第三类是掺有稀土激活离子的铝酸盐，如Ho:YAG、Tm:YAP、Tm:Ho:YAG等，这类晶体化学、机械、热稳定等方面的性能较好，但是，其声子能量较大，导致发光效率较低。第四类是掺有稀土激活离子的氟化物，如Ho:BYF、Tm:LYF、Tm:Ho:KYF等，这类晶体具有声子能量小、发光效率高等优点，但是，其机械性能及热稳定性能较差，且这类晶体生长条件苛刻，步骤繁杂，因此，生长较为困难；另外，由于该类晶体自身原因，难以实现大尺寸生长。
发明内容
现有技术中掺有稀土激活离子的的复合钨酸盐、稀土钒酸盐、铝酸盐或者氟化物受其组成、结构等方面因素所限，或此或彼地存在晶体生长周期长、生长温度高、生长困难、成晶率、晶体尺寸小等问题。为了克服现有技术存在的缺点，在缩短晶体生长周期、降低生长温度、生长容易、提高晶体成晶率以及获得较大生长尺寸的同时，所生长的晶体具有良好的机械性能及热稳定性能，较高的发光效率，我们发明了一种钬铥双掺镓酸钆激光晶体。
本发明之钬铥双掺镓酸钆激光晶体其特征在于掺有2μm波段稀土激活离子钬和铥，分子式为Ho:Tm:GdGaO3，属于正交晶系，激光晶体基质为镓酸钆晶体。
该方案其技术效果在于，钬铥双掺镓酸钆激光晶体具有良好的机械性能，也具有良好的热稳定性能，如热膨胀系数仅为a轴：3.1×10-6/℃，b轴：8.3×10-6/℃，c轴：2.2×10-6/℃。另外，吸收峰宽，如38nm；荧光寿命长，如5.6ms；增益大，如受激发射截面达6.1×10-21cm2；效率高，如52％。通过Tm3+→Ho3+能量传递，可获得2μm波段激光输出。
其技术效果还在于能够采用以下方法制备，所使用的原料包括纯度为99.999％的Tm2O3、纯度为99.995％的Ho2O3、纯度为99.999％的Gd2O3以及纯度为99.999％的Ga2O3，按下式所示摩尔比称配：
xHo2O3+yTm2O3+(1-x-y)Gd2O3+Ga2O3＝2Gd1-x-yTmxHoyGaO3
研混均匀，压紧成块，在1500℃温度下烧结，发生固相反应生成Ho:Tm:GdGaO3多晶料。
采用提拉法生长，中频感应加热，Ho:Tm:GdGaO3多晶料置于铂坩埚内，铂坩埚同时为发热体。籽晶方向为<100>、<110>、<001>之一，生长温度1750℃，提拉速度2mm/h，转速20rpm。
由于钬铥双掺镓酸钆激光晶体属于正交晶系，在生长过程中不存在相变，故无需加入助熔剂，晶体生长是在正常溶质浓度下进行，与现有掺有稀土激活离子的复合钨酸盐晶体相比，生长速率高，按提拉速度2mm/h计算，生长速率高达48mm/d，生长周期只有1～2d；所生长的Ho:Tm:GdGaO3激光晶体尺寸远大于25×25×15mm3，如(1)籽晶方向为<100>时，激光晶体尺寸为直径Φ20～30mm、长度70～80mm；(2)籽晶方向为<110>时，激光晶体尺寸为直径Φ25～35mm、长度65～75mm；(3)籽晶方向为<001>时，激光晶体尺寸为直径Φ30～40mm、长度55～65mm。掺杂浓度高，如Ho3+0.5～1.0at.％、Tm3+2.5～10at.％。
钬铥双掺镓酸钆激光晶体的生长温度只有1750℃，明显低于现有Ho:YVO4的生长温度1810℃，减轻因挥发而导致的偏析，结构缺陷少，结构完整，无开裂、无色心，无核心、无位错、无散射，成晶率大于90％。
具体实施方式
本发明之钬铥双掺镓酸钆激光晶体掺有2μm波段稀土激活离子钬和铥，分子式为Ho:Tm:GdGaO3；激光晶体基质为镓酸钆晶体，属于正交晶系，晶格常数a＝0.547nm、b＝0.791nm、c＝0.523nm；钬铥按如下原子比掺入：Ho∶Tm＝1∶5～10，通常钬的掺杂浓度为0.5～1.0at.％，则铥的掺杂浓度为2.5～10at.％。

Claims (4)

1.一种钬铥双掺镓酸钆激光晶体，其特征在于，掺有2μm波段稀土激活离子钬和铥，分子式为Ho:Tm:GdGaO3，属于正交晶系，激光晶体基质为镓酸钆晶体。
2.根据权利要求1所述的镓酸钆激光晶体，其特征在于，镓酸钆晶体晶格常数a＝0.547nm、b＝0.791nm、c＝0.523nm。
3.根据权利要求1所述的镓酸钆激光晶体，其特征在于，钬铥按如下原子比掺入：Ho∶Tm＝1∶5～10。
4.根据权利要求1或者3所述的镓酸钆激光晶体，其特征在于，钬的掺杂浓度为0.5～1.0at.％，则铥的掺杂浓度为2.5～10at.％。
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