CN102094240A

CN102094240A - 一种镱激活铝酸镧钙新型双波长激光晶体

Info

Publication number: CN102094240A
Application number: CN2009101129447A
Authority: CN
Inventors: 涂朝阳; 朱昭捷; 李坚富; 游振宇; 王燕
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-15

Abstract

一种镱激活铝酸镧钙新型双波长激光晶体，涉及激光晶体材料领域。该晶体材料的化学式为Yb³⁺:CaLaAlO₄属于四方晶系I4/mmm，晶胞参数为

v＝170.26cm³，Dx＝5.266g/cm³。采用4N的La₂O₃、Yb₂O₃与分析纯的Al₂O₃、CaCO₃作为原料，通过高温固相反应获得Yb³⁺:CaLaAlO₄原料，在惰性气氛下采用提拉法生长晶体。该材料用于实现～1.0μm波段双波长激光输出，应用于太赫兹泵浦源。

Description

一种镱激活铝酸镧钙新型双波长激光晶体

技术领域

本发明涉及激光晶体材料领域。

背景技术

太赫兹波是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研发的电磁辐射区域。目前，THz波主要是采用光学技术和电子学技术两种方法来产生。

电子技术产生THz波的方法有反向波振荡器，耿氏与布洛赫振荡器、自由电子和量子级联激光器等，但都存在一些有待解决的技术瓶颈，或是功效低、寿命短，或是体积巨大、能耗高、运行和维护费用较为昂贵，大都尚未实用化、商业化，即使能够商业化，也都难以广泛普及。光学技术主要有THz波气体激光器，与超短激光脉冲有关、能产生宽带亚皮秒THz辐射的光整流、光电导和等离子体四波混频、非线性光学差频、与晶格振动有关的参量振荡等方法。与其它技术相比，非线性差频过程可以产生功率较高的相干宽带可调谐的单频THz波，最大优点是没有阈值，设备简单，结构紧凑，不需要价格昂贵的泵浦装置，可产生较高功率的THz波辐射，甚至可以得到比太赫兹波参量振荡器更宽的THz波调谐范围。

差频方法产生THz波的技术关键是要获得功率较高、波长比较接近的泵浦光和信号光(波长相差不大于10nm)，以及具有较大的二阶非线性系数，并在THz波范围内吸收系数小的非线性差频晶体。

Yb激活的激光晶体在～1μm处产生的激光是宽带可调谐的，有望产生双波长激光输出，可作为差频方法中的泵浦光和信号光。与Nd³⁺激活的激光晶体相比，它还具有以下许多优点：(1)能级结构最简单，仅有基态²F_7/2和激发态²F_5/2，不存在激发态吸收和上转换，光转换效率高；(2)吸收带在0.9～1.1um范围，线宽较宽，能与LD泵浦源有效耦合；(3)泵浦与激光波长非常接近，量子缺陷低，具有大的本征激光效率，理论上量子效率高达90％；(4)泵浦与激光上能级非常靠近，无辐射驰豫引起的热负荷低，仅为掺Nd³⁺材料的三分之一；(5)荧光寿命长，为掺Nd³⁺材料的三倍多，有利于储能；(6)可掺杂较高浓度。

目前国内外研究报道的双波长激光晶体大多采用的是Nd激活离子，其波长差别一般大于10nm，而且是不可调谐的，而我们在Yb³⁺:GdAl₃(BO₃)₄<YbGAB>上已实现了瓦级的双波长激光输出，其波长差别只有5nm，且Yb³⁺是宽带发射的，波长可调，具有很好的新颖性，目前并未见到相关研究及专利报道。

CaLaAlO₄<CLAO>晶体属于四方晶系，具有良好的物化性能，不溶于强酸强碱，硬度大，具有较高的热导率和激光损伤阈值，晶体同成分熔化，可以采用提拉发生长大尺寸优质晶体，而且稀土激活的晶体在相应波段具有较大的吸收与发射截面，因此是一种优秀的激光基质。从附图中所测试的Yb³⁺:CaLaAlO₄晶体的吸收与发射荧光光谱图中，可见晶体在980nm处有较大的发射截面(3.5×0^-20)，有利于采用商业化的LD泵浦源抽运实现高效的激光运转。在980～1065nm波段具有宽的发射，半高宽达到40nm，其发射截面为10^-20cm²，有利于实现可调谐的双波长激光输出，因此Yb³⁺:CLAO将是一种能够应用于太赫兹激光泵浦源的优秀双波长激光晶体。

太赫兹波与物质相互作用中包含有丰富的物理和化学信息，与传统光源相比，具有相干性、低能性、高穿透性、无损伤等独特、优异的特性，在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等基础与应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。一旦研制成功，把所研究的晶体及其器件推向高新技术产业市场，将产生非常可观的经济效益；还可以用来远距离探测化学物质，在反化学战和环境保护中起到关键性的作用。

发明内容

本发明的目的在于公开一种能够实现～1.0μm波段双波长激光输出的激光晶体材料Yb³⁺:CaLaAlO₄。

实现本发明目的技术方案：

1.一种镱激活铝酸镧钙新型双波长激光晶体，该晶体材料的化学式为Yb³⁺:CaLaAlO₄，属于四方晶系I4/mm，晶胞参数为a＝3.716

c＝12.33

v＝170.26cm³，Dx＝5.266g/cm³。

2.一种项1的激光晶体材料的制备方法，其特征在于：采用4N的La₂O₃、Yb₂O₃与分析纯的Al₂O₃、CaCO₃作为原料，通过高温固相反应获得Yb³⁺:CaLaAlO₄原料，在惰性气氛下采用提拉法生长晶体。

3.一种项1的激光晶体材料的用途，该材料用于实现～1.0μm波段双波长激光输出，应用于太赫兹泵浦源。

附图说明

图1：晶体的室温吸收光谱图；

图2：晶体的室温荧光发射光谱图；

图3：晶体的激光实验装置图。

具体实施方式：

实施例一：Yb³⁺:CaLaAlO₄晶体的生长制备

晶体提拉法生长所用的仪器是DJL-400的中频提拉炉，中频电源型号为KGPF25-0.3-2.5。采用Pt/Pt-Rh的热电偶和型号为815EPC的欧路表控温。所采用的坩埚是Φ55mm×50mm的铱坩埚，所用的原料是4N的La₂O₃、Yb₂O₃与分析纯的Al₂O₃、CaCO₃作为原料。根据下列化学反应式配制原料：

(1-x)La₂O₃+xYb₂O₃+2CaCO₃+Al₂O₃→2CaLa_(1-x)Yb_xAlO₄+2CO₂x＝1at％～20at％。把原料混合均匀，压成片状，放进铂坩埚，置入普通烧结炉中，以150℃/h缓慢升温到1080℃，保持48h，重复此过程，然后放入高温烧结炉中在1350℃下恒温烧结72h，取出多晶料，直至X射线粉末衍射与标准卡片完全相符为止。

把原料装入Φ55mm×50mm的铱坩埚内，为了避免铱坩埚的氧化，首先抽出炉子内的空气，使得炉子内的气压达到-0.01Pa，再充入高纯还原气体使得气压达到0.04MPa，然后升温到比熔点高50℃的温度，恒温1～2小时，使得原料熔化完全。以铂铱丝自然成核生长的晶体作为籽晶生长大尺寸的优质晶体。生长过程中，籽晶杆的提拉速率为1.3～1.5mm/h，降温速率为2～10℃/h，籽晶杆的转动速率为12～20r.p.m.，生长结束后将晶体提离液面，以10～30℃/h的速率降至室温，得到尺寸为φ30mm×30mm的透明晶体，然后在N₂-H₂混合气氛下高温退火以消除氧缺陷。

实施例二：Yb³⁺:CaLaAlO₄晶体的激光实验

加工出尺寸为3mm×3mm×5mm的优质Yb³⁺:CaLaAlO₄晶体器件，采用980nm的LD半导体激光作为泵浦源，进行激光实验。实验装置如附图所示。LD泵浦源通过可调光束分束器分解为两路正交偏振的泵浦源对晶体进行抽运，输出镜相对于晶体的横轴线是可调的，以便能够同步产生双波长激光。后二色平面腔镜在1020-1080nm高反，在泵浦波长980nm高透；输出凹面镜的半径为5cm，在1020-1080nm处的透过率可调(可以为2.5％，4％和6％)，在泵浦波长980nm处高反。

Claims

1.一种镱激活铝酸镧钙新型双波长激光晶体，其特征在于：该晶体材料的化学式为Yb³⁺:CaLaAlO₄，属于四方晶系I4/mmm，晶胞参数为

v＝170.26cm³，Dx＝5.266g/cm³。

2.一种权利要求1的激光晶体材料的制备方法，其特征在于：采用4N的La₂O₃、Yb₂O₃与分析纯的Al₂O₃、CaCO₃作为原料，通过高温固相反应获得Yb³⁺:CaLaAlO₄原料，在惰性气氛下采用提拉法生长晶体。

3.一种权利要求1的激光晶体材料的用途，其特征在于：实现～1.0μm波段双波长激光输出，应用于太赫兹泵浦源。