CN102127813B - 高效中红外Pr,Er:YSGG激光晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种高效的抗辐射中红外激光晶体，在Er³⁺:Y₃Sc₂Ga₃O₁₂(Er:YSGG)，其中Er³⁺的掺杂浓度高于30at％，晶体中掺入Pr³⁺，表达式可写为Pr³⁺，Er³⁺:Y₃Sc₂Ga₃O₁₂，其下能级的荧光寿命可得到一定的减小，从而有效提高了晶体的激光效率。

Description

高效中红外Pr,Er:YSGG激光晶体及其制备方法

技术领域

本发明属于功能晶体材料领域，具体的说是一种高效的Pr³⁺与Er³⁺共掺的钇钪镓石榴石激光晶体(Pr，Er:YSGG)及其制备方法。

背景技术

铒离子的⁴I_11/2→⁴I_13/2跃迁，在不同的基质中可产生2.7-3μm波段的激光，这个波段与水的强吸收峰位置重叠，因而水对它的吸收率特别高，是精细外科手术理想的工作波段，这一性质使铒激光在生物和医学领域已得了非常广泛的应用。另外，用2.7-3μm的激光泵浦红外非线性晶体实现光参量振荡，能够获得3～19μm的高功率红外光源，可用于光电对抗(干扰)、红外照明、激光雷达、自由空间通信、化学和生物战剂的探测、环境污染监测以及反恐等领域。

基质晶体YSGG具有一般石榴石(如YAG)的化学性能稳定、硬度高、光学各向同性的优点，可采用熔体提拉法生长出大尺寸、低光学损伤、高光学质量的晶体，同时，YSGG具有比YAG更低的声子能量，这就减少了多声子无辐射跃迁几率，从而可提高激光效率。在Er:YSGG晶体中，2.79μm的激光上能级⁴I_11/2的寿命为1.3ms，该晶体是很好的储能材料，适合于调Q输出巨脉冲激光。但是由于激光下能级⁴I_13/2的寿命可达到3.4ms，是寿命更长的亚稳态。受激发射过程中，跃迁下来的粒子积累在⁴I_13/2能级上，不利于激光发射过程中保持足够的粒子数反转。为了有效减小下能级⁴I_13/2的寿命，在晶体中掺入能级与⁴I_13/2接近的离子，通过离子间的共振能量转移，也可加快抽空激光下能级粒子的速度。1988年，Huber等人(Huber，et al，laser pumping of Ho，Tm，Er garnet laser atroom temperature，IEEE J of Quantum Electronics，1988，24：920)比较了连续二极管激光器泵浦Cr，Er:YSGG和Cr，Er，Ho:YSGG晶体的输出特性，后者斜效率提高。这是由于Ho的⁵I₇能级与⁴I_13/2能级接近，加速了激光下能级粒子抽空速率，振荡过程中激光介质保持了较高的增益。本发明提出的Pr，Er:YSGG，其中Pr³⁺的³F₄能级与Er³⁺离子的激光下能级⁴I_13/2接近，能加速激光下能级粒子抽空速率，减小寿命，在振荡过程中激光介质可以保持较高的增益，提高斜效率。

在上世纪七八十年代，由于当时Sc₂O₃原料非常昂贵，从而限制了含钪石榴石晶体的研究和发展。近年来，随着应用需求和提取技术的迅速发展，Sc₂O₃的价格有了较大幅度的降低。所以，近些年来，国外含钪石榴石晶体的研究又重新兴起，尽管如此，据检索，目前国内外都还没有关于Pr，Er:YSGG激光晶体的报道。

发明内容

本发明的目的在于公开一种能够在2.7-2.8μm实现高效激光输出的Pr，Er:YSGG激光晶体及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

高效中红外激光晶体Pr，Er:YSGG，所述晶体的化学式为Pr³⁺，Er³⁺:Y₃Sc₂Ga₃O₁₂，分子式Pr_3xEr_3yY_3(1-x-y)Sc₂Ga₅O₁₂，其中0＜x，y＜1，(可简写成Pr，Er:YSGG)。Pr³的³F₄能级与Er³⁺离子的激光下能级⁴I_13/2接近，可加速激光下能级粒子抽空速率，减小寿命，在振荡过程中激光介质可以保持较高的增益，提高斜效率。

所述晶体是以声子能量较低的晶体YSGG为基质的激光晶体。

其中Pr³⁺和Er³⁺都是取代晶体中十二面体中心位置的Y³⁺，Pr³⁺的取代浓度为0.5-5at％，Er³⁺的取代浓度为30-50at％。

所述的高效中红外激光晶体Pr，Er:YSGG制备方法

(1)、采用固相法或液相法制备所述晶体的多晶原料，

所述固相法是按照下列化学反应式：

3xPr₂O₃+3yEr₂O₃+3(1-x-y)Y₂O₃+2Sc₂O₃+3Ga₂O₃＝2Pr_3xEr_3yY_(3-3x-3y)Sc₂Ga₃O₁₂，其中x＝0.5-5at％，y＝30-50at％，通过固相反应法制得所述晶体的多晶原料；

所述液相法指共沉淀法或溶胶-凝胶法；

(2)、使用(1)制备的多晶原料，采用熔体法制备Pr，Er:YSGG单晶。

所述晶体除可用常规的闪光灯泵浦外，还可使用中心波长在790nm或965nm附近的半导体激光作为泵浦源。通常采用熔体法生长Pr，Er:YSGG石榴石单晶，这种方法可以生长出尺寸较大的具有实用价值的单晶；也可以采用水热法等方法制备。

本发明的有益效果：

本发明提供一种高效中红外激光晶体Pr，Er:YSGG，晶体结构属于立方晶系，可以采用熔体提拉法生长出高光学均匀性的晶体。用Pr，Er:YSGG晶体产生的2.7-2.8μm波段激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。

附图说明

图1是采用半导体激光器作为泵浦源实现Pr，Er:YSGG激光输出的一种实验装置图。

具体实施方式

实施例1：生长高掺Er³⁺离子浓度的Pr，Er:YSGG晶体

高掺Er³⁺离子浓度的Pr，Er:YSGG晶体是指Er³⁺离子的掺杂浓度在30-50at％之间，Pr³⁺的浓度在0.5-5at％之间。例如Er³⁺浓度为35at％，Pr³⁺的浓度为2at％。以固相法或液相法制备的多晶原料，采用熔体提拉法即可生长出高掺Er³⁺的Pr，Er:YSGG单晶体。

固相法是按照下列化学反应式：

3xPr₂O₃+3yEr₂O₃+3(1-x-y)Y₂O₃+2Sc₂O₃+3Ga₂O₃＝2Pr_3xEr_3yY_(3-3x-3y)Sc₂Ga₃O₁₂，其中x＝0.5-5at％，y＝30-50at％，通过固相反应法制得所述晶体的多晶原料；

实施例2：实现Pr，Er:YSGG晶体2.7-2.8μm波段激光输出的一种实验装置

采用965nm半导体激光器泵浦Pr，Er:YSGG(Pr³⁺的掺杂浓度为2at％，Er³⁺的掺杂浓度为35at％)的晶体元件。实验装置如附图1。图中1是965nm半导体激光器；2是聚焦透镜；3是对2.7-2.8μm波段全反射，对965nm全透射的介质镜；4是Pr，Er:YSGG晶体元件；5是对2.7-2.8μm波段部分透射，对965nm全反射的介质镜；6激光能量计。由于2.7-2.8μm附近波长处于水的强吸收带，因此在此激光实验装置中，还需要排除谐振腔内的水气或缩短谐振腔以减少水气对激光振荡的不良影响。

Claims (4)

1.一种高效中红外激光晶体Pr³⁺，Er³⁺:Y₃Sc₂Ga₃O₁₂，其特征在于：晶体的化学式为Pr³⁺，Er³⁺:Y₃Sc₂Ga₃O₁₂，分子式Pr_3xEr_3yY_3(1-x-y)Sc₂Ga₃O₁₂，其中0＜x，y＜1；其中Pr³⁺和Er³⁺都是取代晶体中十二面体中心位置的Y³⁺，Pr³⁺的取代浓度为0.5-5at％，Er³⁺的取代浓度为30-50at％。

2.根据权利要求1所述的高效中红外激光晶体Pr³⁺，Er³⁺:Y₃Sc₂Ga₃O₁₂，其特征在于所述的Pr³⁺的³F₄能级分别与Er³⁺离子的激光下能级⁴I_13/2接近，可加速激光下能级粒子抽空速率，减小寿命，在振荡过程中激光介质可以保持较高的增益，提高斜效率。

3.根据权利要求1所述的高效中红外激光晶体Pr³⁺，Er³⁺:Y₃Sc₂Ga₃O₁₂，其特征在于：所述晶体是以声子能量较低的钇钪镓石榴石为基质的激光晶体。

4.一种权利要求1所述的高效中红外激光晶体Pr³⁺，Er³⁺:Y₃Sc₂Ga₃O₁₂的制备方法，其特征在于：

(1)、采用固相法或液相法制备所述晶体的多晶原料，

所述固相法是按照下列化学反应式：

3xPr₂O₃+3yEr₂O₃+3(1-x-y)Y₂O₃+2Sc₂O₃+3Ga₂O₃＝2Pr_3xEr_3yY_(3-3x-3y)Sc₂Ga₃O₁₂，其中x＝0.5-5at％，y＝30-50at％，通过固相反应法制得所述晶体的多晶原料；

所述液相法指共沉淀法或溶胶-凝胶法；

(2)、使用(1)制备的多晶原料，采用熔体法制备Pr，Er:YSGG的单晶。

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