CN102560663B - 一种2.8-3微米激光晶体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种2.8-3微米激光晶体及其制备方法，所述晶体的分子式为Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP，其中Yb是Yb3+的简写，Ho是Ho3+的简写，所述Ho3+作为激活离子，Cr3+，Yb3+作为Ho3+的敏化离子，所述YAP是铝酸钇YAlO3的简写，其作为基质晶体，为敏化离子和激活离子提供一个晶格场。在Yb，Ho:YAP中，Yb3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量传递给激活离子Ho3+；在Cr，Yb，Ho:YAP中，Cr3+将吸收的泵浦光能量首先传递给Yb3+，Yb3+再把能量传递给Ho3+，最后通过Ho3+离子5I6和5I7的两个能级间跃迁，本发明可获得在2.8-3μm小范围内调谐的偏振激光，这种波段的激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。

Description

一种2.8-3微米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2.8-3微米Yb3+单掺敏化Ho3+或Cr3+，Yb3+共掺敏化Ho3+的铝酸钇YAlO3激光晶体。
背景技术
YAlO3(YAP)晶体是优良的固体激光基质材料，它是一种双光轴晶体，属正交晶系，其空间群为Pbnm，该晶体各向异性，使其具有很多优点。第一，YAP晶体和YAG(Y3Al5O12)晶体在热力学及机械性能方面比较相似；第二，当在较高功率泵浦的条件下，YAP晶体的自然双折射超越热双折射而占主导地位，所以可以忽略由于热双折射带来的不利影响；第三，三价稀土离子掺杂的YAP晶体可以产生线性偏振的激光；第四，通过改变光场矢量在晶体中的方向，可实现激光波长的小范围调谐。
2.7-3μm波段附近激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。目前掺Er3+激光在2.7-3μm的激光已获得较为广泛的应用，然而掺Er3+的荧光为线状谱，对于特定的基质，只能获得1-2个固定波长的激光，如Er:YSGG的2.7和2.79μm波长，而且需高浓度Er3+掺杂。Ho3+离子掺杂晶体的荧光为宽带谱，可以获得2.8-3微米可调谐激光。但在单掺Ho3+的激光材料中，由于Ho3+在闪光灯及目前发展成熟的半导体激光发射波段的吸收较弱，影响了泵浦效率。有文献报道使用Nd:YAlO3的1.08μm激光，采用腔内泵浦的方式，研究了Ho:YAlO3晶体在2.844-3.017μm波段激光的调谐性能(参见W.S.Rabinovich，et al，Tunable laser pumped3μm Ho:YA1O3 Laser，IEEE J Quan.Elect.，1991，27：895.)。但是这种激光泵浦方式复杂，而且稳定性差，为了简化结构，提高泵浦效率，对Ho3+离子进行敏化很有必要。由于Yb3+能与InGaAs发射波长有效耦合，有较强吸收，并且Yb3+(2F5/2)的发射带和Ho3+(5I6)的吸收带有一定的重叠，使得Yb3+能对Ho3+进行敏化，将吸收的能量转移给Ho3+离子，可达到提高对泵浦光吸收效率和降低激光振荡阈值的目的。有文献对Yb，Ho:YSGG(Y3Sc2Ga3O12)晶体进行过报道(参见A.Diening，et al，Spectroscopy and diode-pumped laser oscillation of Yb3+，Ho3+-dopedyttrium scandium gallium garnet，J Appl.Phys.2000，87：4063)。另外，A.F.Umyskov等人发现在Cr，Yb共掺敏化的Ho:YSGG晶体中Cr3+→Yb3+→Ho3+泵浦光能量转换效率可超过90％(参见Efficient 3-μm Cr3+:Yb3+:Ho3+:YSGG crystal laser，Quantum Electronics，1996，26：771)，而且激光实验结果表明，Cr，Yb，Ho:YSGG有着比Cr，Er:YSGG晶体更高的增益。
Y3Sc2Ga3O12(YSGG)晶体中含有昂贵的钪元素(Sc)和易挥发的镓元素(Ga)，但使用YAP做为基质，相对比较经济，而且没有挥发元素的影响。YAP晶体的热导率(11W/m·K)也较高于YSGG晶体(8W/m·K)。此外，以YAP为基质的激光晶体可以忽略热双折射效应带来的不利影响，还可以实现小范围调谐的偏振激光输出。因此。Yb，Ho:YAP和Cr，Yb，Ho:YAP将会是非常有前途的2.8-3μm新型激光晶体。
据检索，目前国内外都还没有关于Yb，Ho:YAP和Cr，Yb，Ho:YAP激光晶体的报道。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种能够在2.8-3μm波段附近实现小范围调谐偏振激光输出的Yb，Ho:YAP和Cr，Yb，Ho:YAP激光晶体及其制备方法。
本发明的技术解决方案：一种2.8-3微米激光晶体，所述晶体的分子式为Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP，其中Yb是Yb3+的简写，Ho是Ho3+的简写，所述Ho3+作为激活离子，Cr3+，Yb3+作为Ho3+的敏化离子，所述YAP是铝酸钇YAlO3的简写，其作为基质晶体，为敏化离子和激活离子提供一个晶格场。在Yb，Ho:YAP中，Yb3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量传递给激活离子Ho3+，在Cr，Yb，Ho:YAP中，Cr3+将吸收的泵浦光能量首先传递给Yb3+，Yb3+再把能量传递给Ho3+，最后通过Ho3+离子5I6和5I7的两个能级间跃迁，可以获得2.8-3μm小范围内调谐的偏振激光。
所述Yb3+和Ho3+是取代基质晶体YAP中的Y3+离子，Yb3+的取代浓度范围为5-20at％，Ho3+的取代浓度范围为0.1-5at％；Cr3+是取代基质晶体YAP中的Al3+离子，取代浓度范围为0.5-5at％。
所述Yb，Ho:YAP晶体适合940nm、970nm和980nm半导体激光器泵浦，Cr，Yb，Ho:YAP晶体适合使用脉冲氙灯作为泵浦源。
所述的基质晶体是双光轴晶体YAP。
本发明的原理：Yb3+单掺敏化或Cr3+，Yb3+共掺敏化Ho3+的铝酸钇(YAlO3)激光晶体，晶体结构属于正交晶系，分子式为Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP，Yb3+和Ho3+取代Y3+的位置，Cr3+取代Al3+的位置。其中Cr3+的取代浓度范围为0.5-5at％，Yb3+的取代浓度范围为5-20at％，Ho3+的取代浓度范围为0.1-5at％。在Yb，Ho:YAP中，Yb3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量传递给激活离子Ho3+，在Cr，Yb，Ho:YAP中，Cr3+将吸收的泵浦光能量首先传递给Yb3+，Yb3+再把能量传递给Ho3+，最后通过Ho3+离子5I6和5I7的两个能级间跃迁，激光波段范围在2.8-3μm。因此，Yb，Ho:YAP和Cr，Yb，Ho:YAP晶体有望分别成为适合LD泵浦和脉冲氙灯泵浦的高效激光晶体。用它们输出的2.8-3μm波段激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。
稀土掺杂的铝酸钇YAP激光晶体通常采用熔体法生长单晶，可以采用下述方法获得尺寸较大且具有实用价值的单晶：
(1)固相法或液相法制备多晶原料
按照下列化学反应式：
xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3，其中x＝0或者0.005-0.05，y＝0.05-0.2，z＝0.001-0.05，通过固相反应法或液相法制得Yb，Ho:YAP和Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料；
(2)熔体法生长单晶
使用上述固相法或液相法制备的Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料，采用熔体法制备Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP单晶。
所述固相法制备多晶原料的步骤为：
将氧化物原料按化学反应式：
xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3，按照设定的x，y，z的分别称取某一固定值，将称取的所述氧化物均匀混合并压块，在1250-1350℃空气条件下烧结24-48小时，可得到Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料。
所述液相法制备多晶原料为：将氧化物原料按化学反应式：
xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3，其中按照所述设定的x，y，z分别称取某一固定值，将称取的氧化物分别用HNO3溶解后均匀混合，用液相共沉淀的方法将混合溶液与氨水共滴定，保持PH值在11.5-12.5，经共沉淀后的混合液，用离心机离心得到凝胶状前驱物，经洗涤，烘干，最后在900-1100℃烧结10-14小时，即可获得Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料。
所述熔体法生长单晶的方法为：把所述固相法或液相法制备的500-600克Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径60-70mm的铱坩埚中，将铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热8-12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径25-30mm等径长度80-100mm的Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP单晶。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)在单掺Ho3+的激光材料中，由于Ho3+在闪光灯及目前发展成熟的半导体激光发射波段的吸收较弱，泵浦效率非常低。有文献报道使用Nd:YAlO3的1.08μm激光，采用腔内泵浦的方式，研究了Ho:YAlO3晶体在2.844-3.017μm波段激光的调谐性能。但是这种激光泵浦方式复杂，而且稳定性差。采用yb3+单掺敏化或Cr3+，Yb3+双掺Ho3+的YAP晶体，可以使晶体适合目前发展比较成熟的半导体激光或脉冲氙灯泵浦，简化结构，提高泵浦效率。
(2)有文献对Yb，Ho:YSGG及Cr，Yb，Ho:YSGG晶体的报道，但是由于Y3Sc2Ga3O12(YSGG)晶体中含有昂贵的钪元素(Sc)和易挥发的镓元素(Ga)，使用YAP做为基质，相对比较经济。另外，YAP晶体的热导率(11W/m·K)也较高于YSGG晶体(8W/m·K)。
(3)以YAP为基质的激光晶体，在较高功率泵浦条件下，由于其自然双折射远远大于热双折射，因此可以忽略热双折射效应带来的不利影响，如热退偏损耗，提高了光束质量，也可以在较高的重复频率下工作。
(4)通过改变光场矢量在Yb，Ho:YAP或Cr，Yb，Ho:YAP晶体中的方向，还可以实现小范围调谐的偏振激光输出。
附图说明
图1是采用半导体激光器作为泵浦源实现本发明Yb，Ho:YAP晶体激光输出的一种实验装置图；
图2是采用闪光灯作为泵浦源实现本发明Cr，Yb，Ho:YAP晶体激光输出的一种实验装置图。
具体实施方式
实施例1
生长Yb3+的浓度为5at％，Ho3+浓度为5at％的Yb0.05Ho0.05Y0.9AlO3晶体
Yb，Ho:YAP晶体是指Yb3+的浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的掺杂浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Yb3+的浓度为5at％，Ho3+浓度为5at％。将氧化物原料按化学反应式：yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+Al2O3＝2YbyHozY(1-y-z)AlO3称取，其中y＝0.05，z＝0.05，均匀混合并压块，使用固相法在1250℃烧结48小时，可得到Yb，Ho:YAP多晶原料。把500克Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热10小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径25mm等径长度100mm的Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在940-970nm有宽的吸收带，用940nm和970nm半导体激光器激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用LD泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例2
生长Yb3+的浓度为10at％，Ho3+浓度为1at％的Yb0.1Ho0.01Y0.89AlO3晶体
Yb，Ho:YAP晶体是指Yb3+的浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的掺杂浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Yb3+的浓度为10at％，Ho3+浓度为1at％。将氧化物原料按化学反应式：yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+Al2O3＝2YbyHozY(1-y-z)AlO3称取，其中y＝0.1，z＝0.01，均匀混合并压块，使用固相法在1300℃烧结36小时，可得到Yb，Ho:YAP多晶原料。把550克Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径65mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径28mm等径长度90mm的Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在940-970nm有宽的吸收带，用940nm和970nm半导体激光器激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用LD泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例3
生长Yb3+的浓度为20at％，Ho3+浓度为0.5at％的Yb0.2Ho0.005Y0.795AlO3晶体
Yb，Ho:YAP晶体是指Yb3+的浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的掺杂浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Yb3+的浓度为20at％，Ho3+浓度为0.5at％。将氧化物原料按化学反应式：yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+Al2O3＝2YbyHozY(1-y-z)AlO3称取，其中y＝0.2，z＝0.005，均匀混合并压块，使用固相法在1350℃烧结24小时，可得到Yb，Ho:YAP多晶原料。把650克Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径70mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热14小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径30mm等径长度80mm的Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在940-970nm有宽的吸收带，用940nm和970nm半导体激光器激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用LD泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例4
生长Yb3+的浓度为15at％，Ho3+浓度为2at％的Yb0.15Ho0.02Y0.83AlO3晶体
Yb，Ho:YAP晶体是指Yb3+的浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的掺杂浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Yb3+的浓度为15at％，Ho3+浓度为2at％。将氧化物原料按化学反应式：yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+Al2O3＝2YbyHozY(1-y-z)AlO3，其中y＝0.15，z＝0.02，将称取的氧化物分别用适量HNO3溶解后均匀混合，用液相共沉淀的方法将混合溶液与氨水共滴定，保持PH值在12±0.5左右，经共沉淀后的混合液，用离心机离心得到凝胶状前驱物，经洗涤，烘干，最后在1000℃烧结12小时可获得Yb，Ho:YAP多晶原料。把600克Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径25mm等径长度100mm的Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在可见光范围有宽的吸收带，用940nm和970nm波长半导体激光器激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用LD泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例5
生长Cr3+的取代浓度为0.5at％，Yb3+的取代浓度为10at％，Ho3+取代浓度为1at％的Cr0.005Yb0.1Ho0.01Y0.89Al0.995O3晶体
Cr，Yb，Ho:YAP晶体是指Cr3+的取代浓度在0.5-5at％之间，Yb3+的取代浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的取代浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Cr3+的取代浓度为0.5at％，Yb3+的取代浓度为10at％，Ho3+取代浓度为1at％。将氧化物原料按化学反应式：xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3称取，其中x＝0.005，y＝0.1，z＝0.01，均匀混合并压块，使用固相法在1250℃烧结48小时，可得到Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料。把500克Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径60mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热10小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径25mm等径长度100mm的Cr，Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在可见光范围有宽的吸收带，用460nm和640nm波长激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用脉冲氙灯泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例6
生长Cr3+的取代浓度为2at％，Yb3+的取代浓度为5at％，Ho3+取代浓度为0.5at％的Cr0.02Yb0.05Ho0.005Y0.945Al0.98O3晶体
Cr，Yb，Ho:YAP晶体是指Cr3+的取代浓度在0.5-5at％之间，Yb3+的取代浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的取代浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Cr3+的取代浓度为2at％，Yb3+的取代浓度为5at％，Ho3+取代浓度为0.5at％。将氧化物原料按化学反应式：xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3称取，其中x＝0.02，y＝0.05，z＝0.005，均匀混合并压块，使用固相法在1300℃烧结36小时，可得到Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料。把550克Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径65mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径28mm等径长度90mm的Cr，Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在可见光范围有宽的吸收带，用460nm和640nm波长激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用脉冲氙灯泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例7
生长Cr3+的取代浓度为5at％，Yb3+的取代浓度为20at％，Ho3+的取代浓度为5at％的Cr0.05Yb0.2Ho0.05Y0.75Al0.95O3晶体
Cr，Yb，Ho:YAP晶体是指Cr3+的取代浓度在0.5-5at％之间，Yb3+的取代浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的取代浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Cr3+的取代浓度为5at％，Yb3+的取代浓度为20at％，Ho3+取代浓度为5at％。将氧化物原料按化学反应式：xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3称取，其中x＝0.05，y＝0.2，z＝0.05，均匀混合并压块，使用固相法在1350℃烧结24小时，可得到Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料。把600克Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径70mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热14小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径30mm等径长度80mm的Cr，Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在可见光范围有宽的吸收带，用460nm和640nm波长激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用脉冲氙灯泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例8
生长Cr3+的取代浓度为1at％，Yb3+的取代浓度为15at％，Ho3+的取代浓度为2at％的Cr0.01Yb0.15Ho0.02Y0.83Al0.99O3晶体
Cr，Yb，Ho:YAP晶体是指Cr3+的取代浓度在0.5-5at％之间，Yb3+的取代浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的取代浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Cr3+的取代浓度为1at％，Yb3+的取代浓度为15at％，Ho3+取代浓度为2at％。将氧化物原料按化学反应式：xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3称取，其中x＝0.01，y＝0.15，z＝0.02，均匀混合并压块，使用固相法在1300℃烧结36小时，可得到Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料。把600克Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径70mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热14小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径30mm等径长度80mm的Cr，Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在可见光范围有宽的吸收带，用460nm和640nm波长激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用脉冲氙灯泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例9
生长Cr3+的浓度为2at％，Yb3+的浓度为10at％，Ho3+浓度为1at％的Cr0.02Yb0.1Ho0.01Y0.89Al0.98O3晶体
Cr，Yb，Ho:YAP晶体是指Cr3+的浓度在0.5-5at％之间，Yb3+的浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的掺杂浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Cr3+的浓度为2at％，Yb3+的浓度为10at％，Ho3+浓度为1at％。将氧化物原料按化学反应式：
xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3
其中x＝0.02，y＝0.10，z＝0.01，将称取的氧化物分别用适量HNO3溶解后均匀混合，用液相共沉淀的方法将混合溶液与氨水共滴定，保持PH值在12±0.5左右，经共沉淀后的混合液，用离心机离心得到凝胶状前驱物，经洗涤，烘干，最后在1100℃烧结8小时可获得Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料。把550克Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径65mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径28mm等径长度90mm的Cr，Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在可见光范围有宽的吸收带，用460nm和640nm波长激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用脉冲氙灯泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例10
生长Cr3+的浓度为3at％，Yb3+的浓度为8at％，Ho3+浓度为3at％的Cr0.03Yb0.08Ho0.03Y0.89Al0.97O3晶体
Cr，Yb，Ho:YAP晶体是指Cr3+的浓度在0.5-5at％之间，Yb3+的浓度在5-20at％之间，Ho3+离子的掺杂浓度在0.1-5at％之间。本实施例中Cr3+的浓度为3at％，Yb3+的浓度为8at％，Ho3+浓度为3at％。将氧化物原料按化学反应式：
xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3
其中x＝0.03，y＝0.08，z＝0.03，将称取的氧化物分别用适量HNO3溶解后均匀混合，用液相共沉淀的方法将混合溶液与氨水共滴定，保持PH值在12+0.5左右，经共沉淀后的混合液，用离心机离心得到凝胶状前驱物，经洗涤，烘干，最后在1100℃烧结8小时可获得Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料。把600克Cr，Yb，Ho:YAP多晶原料装入直径70mm的铱坩埚中，铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空(1-5Pa)后充入氮气作为保护气体，用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热10小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径30mm等径长度100mm的Cr，Yb，Ho:YAP单晶。通过测量晶体的吸收光谱，发现晶体在可见光范围有宽的吸收带，用460nm和640nm波长激发得到了2.8-3μm的宽带荧光谱，初步表明该晶体可以用脉冲氙灯泵浦实现高效2.8-3μm小范围调谐的激光输出。
实施例11
实现Yb，Ho:YAP晶体2.9μm波段附近激光输出的一种实验装置
采用940nm半导体激光器泵浦Yb，Ho:YAP(Yb3+的取代浓度为10at％，Ho3+的取代浓度为1at％)的晶体元件。实验装置如附图1。图中1是Yb，Ho:YAP长方体晶体激光元件(3mm×3mm×6mm)；2是940nm半导体激光器；3是对2.9μm附近波长全反射对940nm全透射的介质镜；4是对2.9μm附近波长部分透射对940nm全反射的介质镜；5是激光能量计；6是聚焦透镜。
实施例12
实现Cr，Yb，Ho:YAP晶体2.9μm波段附近激光输出的一种实验装置
采用脉冲氙灯泵浦Cr，Yb，Ho:YAP(Cr3+的掺杂浓度为2at％，Yb3+的掺杂浓度为10at％，Ho3+的掺杂浓度为1at％)的晶体元件。实验装置如附图2。图中a是Cr，Yb，Ho:YAP晶体激光棒(Φ4mm×60mm)；b是闪光灯；c是对2.9μm附近波长全反射的介质镜；d是对2.9μm附近波长部分透射的介质镜；e是激光能量计。

Claims (7)

1.一种2.8-3微米激光晶体，其特征在于：为适合于LD和脉冲氙灯泵浦的2.8-3微米偏振可调谐激光晶体，所述晶体的分子式为Yb,Ho:YAP或Cr,Yb,Ho:YAP，其中Yb是Yb3+的简写，Ho是Ho3+的简写，所述Ho3+作为激活离子，Cr3+,Yb3+作为Ho3+的敏化离子，所述YAP是铝酸钇YAlO3的简写,其作为基质晶体，为敏化离子和激活离子提供一个晶格场；在Yb,Ho:YAP中，Yb3+作为敏化离子将吸收的泵浦光能量传递给激活离子Ho3+，在Cr,Yb,Ho:YAP中，Cr3+将吸收的泵浦光能量首先传递给Yb3+，Yb3+再把能量传递给Ho3+，最后通过Ho3+离子5I6和5I7的两个能级间跃迁，可以获得2.8-3μm小范围内调谐的偏振激光；
所述Yb3+和Ho3+是取代基质晶体YAP中的Y3+离子，Yb3+的取代浓度范围为5-20at％，Ho3+的取代浓度范围为0.1-5at％；Cr3+是取代基质晶体YAP中的Al3+离子，取代浓度范围为0.5-5at％。
2.根据权利要求书1所述的2.8-3微米激光晶体，其特征在于：所述Yb,Ho:YAP晶体适合940nm、970nm和980nm半导体激光器泵浦，Cr,Yb,Ho:YAP晶体适合使用脉冲氙灯作为泵浦源。
3.根据权利要求书1所述的2.8-3微米激光晶体，其特征在于：所述的基质晶体是双光轴晶体YAP。
4.一种2.8-3微米激光晶体的制备方法，其特征在于：为适合于LD和脉冲氙灯泵浦的2.8-3微米偏振可调谐激光晶体制备方法，实现步骤如下：
(1)固相法或液相法制备多晶原料
按照下列化学反应式：
xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3，其中x＝0,即没有掺入Cr3+离子，或者x＝0.005-0.05，y＝0.05-0.2，z＝0.001-0.05，通过固相反应法或液相法制得Yb,Ho:YAP或Cr,Yb,Ho:YAP多晶原料；
(2)熔体法生长单晶
使用上述固相法或液相法制备的Yb,Ho:YAP或Cr,Yb,Ho:YAP多晶原料后，再采用熔体法制备Yb,Ho:YAP或Cr,Yb,Ho:YAP单晶。
5.根据权利要求4所述的2.8-3微米激光晶体的制备方法，其特征在于：所述固相法制备多晶原料的步骤为：
将氧化物原料按化学反应式：
xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3，按照设定的x,y,z分别称取某一固定值，将称取的所述氧化物均匀混合并压块，在1250-1350℃空气条件下烧结24-48小时，可得到Yb,Ho:YAP或Cr,Yb,Ho:YAP多晶原料。
6.根据权利要求4所述的2.8-3微米激光晶体的制备方法，其特征在于：所述液相法制备多晶原料的步骤为：
将氧化物原料按化学反应式：
xCr2O3+yYb2O3+zHo2O3+(1-y-z)Y2O3+(1-x)Al2O3＝2CrxYbyHozY(1-y-z)Al(1-x)O3，其中按照所述设定的x,y,z分别称取某一固定值，将称取的氧化物分别用HNO3溶解后均匀混合，用液相共沉淀的方法将混合溶液与氨水共滴定，保持pH值在11.5-12.5，经共沉淀后的混合液，用离心机离心得到凝胶状前驱物，经洗涤，烘干，最后在900-1100℃烧结10-14小时，即可获得Yb,Ho:YAP或Cr,Yb,Ho:YAP多晶原料。
7.根据权利要求4所述的2.8-3微米激光晶体的制备方法，其特征在于：所述熔体法生长单晶的方法为：把所述固相法或液相法制备的500-600克Yb,Ho:YAP或Cr,Yb,Ho:YAP多晶原料装入直径60-70mm的铱坩埚中,将铱坩埚放入激光晶体提拉炉中，炉膛抽真空后充入氮气作为保护气体,用YAP单晶做生长籽晶，籽晶转速为5-10转/分钟，生长拉速1-2mm/小时，使用感应加热法将原料熔化，原料熔化后再过热8-12小时，经过下种，放肩，等径，提晶，降温等过程，最后获得直径25-30mm等径长度80-100mm的Yb,Ho:YAP或Cr,Yb,Ho:YAP单晶。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06100360A (ja) * 1992-09-21 1994-04-12 Hitachi Chem Co Ltd 単結晶の熱処理方法
WO2008014331A3 (en) * 2006-07-27 2008-10-23 Electro Scient Ind Inc Tandem photonic amplifier
CN101445727A (zh) * 2008-12-30 2009-06-03 中国科学院安徽光学精密机械研究所 掺杂铌酸盐、钽酸盐及其混晶发光材料及其熔体法晶体生长方法
CN101619217A (zh) * 2008-07-03 2010-01-06 中国科学院福建物质结构研究所 一种稀土离子激活的铝酸钇新型白光纳米发光材料
CN102134750A (zh) * 2010-01-22 2011-07-27 中国科学院福建物质结构研究所 一种共掺铬、镱敏化离子的钬离子激活的钆镓石榴石新型激光晶体
CN102277620A (zh) * 2011-08-02 2011-12-14 中国科学院合肥物质科学研究院 一种高效抗辐射激光晶体及制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06100360A (ja) * 1992-09-21 1994-04-12 Hitachi Chem Co Ltd 単結晶の熱処理方法
WO2008014331A3 (en) * 2006-07-27 2008-10-23 Electro Scient Ind Inc Tandem photonic amplifier
CN101619217A (zh) * 2008-07-03 2010-01-06 中国科学院福建物质结构研究所 一种稀土离子激活的铝酸钇新型白光纳米发光材料
CN101445727A (zh) * 2008-12-30 2009-06-03 中国科学院安徽光学精密机械研究所 掺杂铌酸盐、钽酸盐及其混晶发光材料及其熔体法晶体生长方法
CN102134750A (zh) * 2010-01-22 2011-07-27 中国科学院福建物质结构研究所 一种共掺铬、镱敏化离子的钬离子激活的钆镓石榴石新型激光晶体
CN102277620A (zh) * 2011-08-02 2011-12-14 中国科学院合肥物质科学研究院 一种高效抗辐射激光晶体及制备方法

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