CN102618929B - 一种掺镱、铒的钇钪镓石榴石晶体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺镱、铒的钪镓石榴石晶体，所述晶体的化学组成为YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12，其中，0＜a≤2.1，b＝0.9。本发明还公开了一种掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的制备方法。通过本发明得到的一种掺镱、铒的钇钪镓石榴石晶体，能够实现高效的二极管泵浦激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光晶体及其制备方法，具体地说，涉及一种掺镱、铒的钇钪镓石榴石晶体及其制备方法。
背景技术
二极管泵浦较传统的闪光灯泵浦具有明显的优势，主要表现为效率高、光束质量好、寿命长、稳定性好、体积小、重量轻等，因此二极管泵浦成为了固体激光器技术和应用的主流发展趋势之一。
掺杂浓度为30at％的Er:YSGG晶体能够发射2.8μm激光，在激光医疗(如牙科等)和军事(如光电对抗)等领域有着重要的应用。Er:YSGG晶体中Er离子的吸收带尽管较多(如图1所示)，但带宽都比较窄。目前商用化的二极管波长在800nm附近，因此适用的激光二极管泵浦波长为790nm。但790nm吸收带宽太窄导致应用时必须用精确和严格的二极管温度控制系统，导致激光器系统比较复杂。尽管近些年出现了970nm的激光二极管，但是成本仍然很高，并且Er:YSGG晶体在970nm吸收带的宽度也比较窄(只有6nm)。而吸收带比较宽的1450nm吸收带却没有匹配的激光二极管，无法在现实中得到应用。因此Er:YSGG晶体在实际应用中基本上仍然采用传统的闪光灯泵浦方式。但是，闪光灯泵浦Er:YSGG晶体激光器效率低，稳定性和可靠性不高。
下面举例说明现有技术中Er:YSGG晶体的制备方法及其光学性能、光学均匀性和激光性能的测量。
对比例1：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式ErbY3-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Er:YSGG晶体(b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中后，并封闭炉门抽真空至炉膛压力小于10Pa。坩埚尺寸为ф90×90mm。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入普通的保护性气体Ar和2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工。
制备得到的Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Er0.9Y2.1Sc2Ga3O12。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
对比例2：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式ErbY3-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Er:YSGG晶体(b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置15g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至200℃，保持200℃恒温10h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体Ar和2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工。
制备得到的Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Er0.9Y2.1Sc2Ga3O12。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
由以上对比例1-2激光性能测试结果可知，Er:YSGG晶体在940nm二极管泵浦条件下无激光输出，不能应用在940nm二极管泵浦上。
Yb:YSGG吸收光谱图，如图2所示。Yb离子在940nm存在明显的吸收带，正好与已商业化的InGaAs二极管匹配，而且吸收带宽宽(约18nm)，显著降低了二极管的稳定控制要求。图3表示出了Yb离子向Er离子的能量转移过程。其中1表示Yb离子吸收940nm泵浦光能量后，由4F7/2能级跃迁至4F5/2能级，并通过2将能量转移给Er离子的4I11/2能级，电子由4I11/2能级跃迁至4I13/2能级时，发射出2.8μm波长的荧光。因此，Yb离子成为了Er离子极好的敏化离子。
因此，在Er:YSGG晶体中共掺适量浓度的Yb离子，通过Yb离子吸收二极管泵浦能量，并转移给Er离子，可以实现Er离子激光输出。由于Yb离子在940nm存在明显的吸收带，吸收带宽宽，正好与已商业化的InGaAs二极管匹配，因此Yb:Er:YSGG晶体能够实现高效的二极管泵浦激光输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种掺镱、铒的钇钪镓石榴石晶体，能够实现高效的二极管泵浦激光输出。
本发明技术方案如下：
一种掺镱、铒的钪镓石榴石晶体，所述晶体的化学组成为YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12，其中，0＜a≤2.1，b＝0.9。
进一步：0.6≤a≤1.2，b＝0.9。
进一步：a＝0.15、0.3、0.6、0.75、0.9、1.05、1.2或者2.1，b＝0.9。
进一步：所述掺镱、铒的钇钪镓石榴石晶体为立方晶系石榴石结构，镱和铒离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的钇离子。
本发明的另一目的在于提供上述掺镱、铒的钇钪镓石榴石晶体的制备方法，得到一种掺镱、铒的钇钪镓石榴石晶体，能够实现高效的二极管泵浦激光输出。
本发明的技术方案如下：
一种掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的制备方法，包括：将拉晶料放入晶体生长炉内的坩埚中，在炉膛内放置干燥剂以吸收炉膛内气氛中的水分；其中，所述干燥剂为P2O5，所述干燥剂每个生长炉次的用量为5～20g；对晶体生长炉进行抽真空，当炉内压力不大于5×10-2Pa后，一边抽真空，一边加热烘烤坩埚中的拉晶料，在200℃～500℃下持续烘烤10h～20h，去除其中的水分；关闭抽真空系统，向炉内充惰性气体和体积百分含量为2％的氧气；所述惰性气体为含水量不大于1.5ppm的氩气或氮气；升温熔料、下籽晶、生长Yb:Er:YSGG晶体，然后降温取出Yb:Er:YSGG晶体；将生长出的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中在1200℃高温下处理15h，消除晶体中OH-离子和色心；所述制备的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的化学组成为YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12，其中，0＜a≤2.1，b＝0.9；所述制备的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的化学组成为YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12，其中，0.6≤a≤1.2，b＝0.9；所述制备的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的化学组成为YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12，其中，a＝0.15、0.3、0.6、0.75、0.9、1.05、1.2或者2.1，b＝0.9；所述制备的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体为立方晶系石榴石结构，镱和铒离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的钇离子。
进一步：制备所述拉晶料的步骤包括：将原料除潮，按照YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12的配比称量原料，其中，0＜a≤2.1，b＝0.9；将原料混合均匀后静压成型；将成型后的原料放入高温炉中进行多晶料合成；降温后将合成的多晶料研磨，并再一次静压成型，得到所述拉晶料。
进一步：所述原料为Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3，所述原料的浓度为5N～6N。
进一步：所述生长Yb:Er:YSGG晶体的方法包括熔体提拉法。
进一步：所述P2O5的用量为5、10、15或者20g；所述加热烘烤坩埚中的拉晶料的温度为200、300或者500℃；所述持续烘烤的时间为10、15或者20h。
本发明的技术效果包括：
1、本发明利用Yb离子吸收940nm二极管泵浦能量，并将能量转移给Er离子，进而实现2.8μm的二极管泵浦高效激光输出。
2、采用本发明的除水工艺，进一步提高激光输出效率。
附图说明
图1是Er:YSGG晶体吸收光谱图；
图2是Yb:YSGG晶体吸收光谱图；
图3是Yb离子向Er离子的能量转移过程图；
图4是本发明的Yb0.15Er0.9Y1.95Sc2Ga3O12晶体吸收光谱图。
具体实施方式
下面参考附图和优选实施例，对本发明作详细描述。
实施例1：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝0.15，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝0.15，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置10g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至200℃，保持200℃恒温10h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体Ar和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
如图4所示，为本发明的Yb0.15Er0.9Y1.95Sc2Ga3O12晶体的吸收光谱图。制备得到的Yb:Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Yb0.15Er0.9Y1.95Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，空间群为Ia3d，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例2：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝0.3，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝0.3，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置20g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至500℃，保持500℃恒温20h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体Ar和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
制备得到的Yb:Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Yb0.3Er0.9Y1.8Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例3：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝0.6，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝0.6，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置5g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至300℃，保持300℃恒温15h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体Ar和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
制备得到的Yb:Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Yb0.6Er0.9Y1.5Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例4：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝0.75，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝0.75，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置10g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至500℃，保持500℃恒温10h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体N2和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
制备得到的Yb:Er:YSGG 晶体的晶体化学组成为Yb0.75Er0.9Y1.35Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例5：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝0.9，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝0.9，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置15g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至200℃，保持200℃恒温10h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体Ar和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
制备得到的Yb:Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Yb0.9Er0.9Y1.2Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例6：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝0.15，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝1.05，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置20g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至300℃，保持300℃恒温20h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体Ar和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
制备得到的Yb:Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Yb1.05Er0.9Y1.05Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例7：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝1.2，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝1.2，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置20g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至300℃，保持300℃恒温10h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体Ar和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
制备得到的Yb:Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Yb1.2Er0.9Y0.9Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例8：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝2.1，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝2.1，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中，坩埚尺寸为ф90×90mm，并在炉膛内壁附近放置10g干燥剂P2O5后封闭炉门。
抽真空，直至炉膛内压强不大于5×10-2Pa后开始真空烘料，即一边继续抽真空，一边加热至200℃，保持200℃恒温10h。
然后关闭抽真空系统，向晶体生长炉中充入特制的低H2O含量(不大于1.5ppm)的保护性气体N2和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
制备得到的Yb:Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Yb1.5Er0.9Y0.6Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例9：
制备拉晶料
将各氧化物原料Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3除潮，然后按照化学式YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12配比计算称量，其中，a＝2.1，b＝0.9，原料总重为2400g。各氧化物的纯度均为5N～6N。将各氧化物原料装入容器中混合均匀后装入乳胶袋中，在油压机内静压成型。将压制成型的原料装入高温炉中进行多晶料合成。
制备Yb:Er:YSGG晶体(a＝2.1，b＝0.9)
将拉晶料装入晶体生长炉内的坩埚中后封闭炉门。坩埚尺寸为ф90×90mm。
向晶体生长炉中充入普通的保护性气体Ar和体积百分含量为2％的O2(由于原料中的Ga2O3在高温下容易挥发，通入一定量的O2可以抑制Ga2O3的挥发，以保持原料的组成)。
然后升温熔料、下籽晶、提拉生长和降温取晶体，这一过程与通常生长Er:YSGG晶体相同。主要生长工艺参数为：籽晶方向<111>晶向，拉速1mm/h，转速15r/min。
生长获得的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中1200℃退火15h，之后进行激光棒光学粗加工和精加工，其高温退火和光学加工工艺过程与Er:YSGG晶体相同。
制备得到的Yb:Er:YSGG晶体的晶体化学组成为Yb1.5Er0.9Y0.6Sc2Ga3O12，该晶体为立方晶系石榴石结构，Yb和Er离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的Y离子。
测试光学质量和光学均匀性
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，按激光棒技术要求，对两端面进行了光学精加工。其中消光比的测试条件为：采用线偏振光，波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm。波前畸变的测试条件为：测试波长1064nm，光斑尺寸Φ3mm，用CCD进行图像采集。散射颗粒测试条件为：200mW的532nm绿光通过晶体，肉眼观测。测试结果示于表1。
测试激光性能
上述制备的Yb:Er:YSGG晶体加工成晶体棒，该晶体棒的尺寸为Φ4×100mm，晶体两端镀2.8μm增透膜，冷却水温为15±2℃，泵浦脉宽为300μs，重复频率为1Hz，输出镜透过率为14％，采用InGaAs二极管侧面泵浦，测定光光转换效率和泵浦阈值来表示其激光性能。其激光性能测试结果如表2所示。
实施例1～9均得到了光学质量良好的晶体。所有实施例的晶体都加工出了激光棒，光学质量和光学均匀性的测量结果表明，本发明Yb:Er:YSGG晶体的光学质量和光学均匀性与Er:YSGG晶体基本一致，表明在Er:YSGG晶体中进一步掺入Yb离子并不明显影响晶体的光学质量和光学均匀性；其消光比、波前畸变和散射的性能指标均能达到激光晶体棒产品标准的优级品水平(见表1)。本发明Yb:Er:YSGG晶体的激光性能测试结果表明，本发明通过共掺入一定量的Yb3+离子，并采用低OH-含量的晶体制备技术获得的Yb:Er:YSGG晶体在940nm二极管泵浦条件下，光光转换效率较高，激光工作的泵浦阈值较低，效率高，实现了有效的激光输出，光学质量好，有利于获得大功率输出激光器的应用要求(见表2)。采用除水工艺能进一步提高晶体的激光性能
表1各实施例和对比例的晶体光学质量和光学均匀性的比较
| 消光比(dB) | 波前畸变(λ/25mm) | 散射颗粒(个) | |
| 实施例1 | 32.4 | 0.096 | 无 |
| 实施例2 | 31.3 | 0.124 | 无 |
| 实施例3 | 30.6 | 0.114 | 无 |
| 实施例4 | 31.2 | 0.098 | 无 |
| 实施例5 | 32.5 | 0.110 | 无 |
| 实施例6 | 31.7 | 0.098 | 零星 |
| 实施例7 | 30.9 | 0.122 | 无 |
| 实施例8 | 30.3 | 0.134 | 零星 |
| 实施例9 | 31.2 | 0.126 | 零星 |
| 对比例1 | 30.8 | 0.108 | 无 |
| 对比例2 | 31.6 | 0.116 | 零星 |
表2各实施例和对比例晶体的光光转换效率和泵浦阈值测试结果
表3实施例1～9和对比例1～2的晶体化学组成和主要制备工艺条件表
以上所述的实施例，只是本发明具体实施方式的几种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的制备方法，包括：
将拉晶料放入晶体生长炉内的坩埚中，在炉膛内放置干燥剂以吸收炉膛内气氛中的水分；其中，所述干燥剂为P2O5，所述干燥剂每个生长炉次的用量为5～20g；
对晶体生长炉进行抽真空，当炉内压力不大于5×10-2Pa后，一边抽真空，一边加热烘烤坩埚中的拉晶料，在200℃～500℃下持续烘烤10h～20h，去除其中的水分；
关闭抽真空系统，向炉内充惰性气体和体积百分含量为2％的氧气；所述惰性气体为含水量不大于1.5ppm的氩气或氮气；
升温熔料、下籽晶、生长Yb:Er:YSGG晶体，然后降温取出Yb:Er:YSGG晶体；
将生长出的Yb:Er:YSGG晶体在马弗炉中在1200℃高温下处理15h，消除晶体中OH-离子和色心；
所述制备的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的化学组成为YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12，其中，0.3<a≤2.1,b＝0.9；
所述制备的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体为立方晶系石榴石结构，镱和铒离子均取代钇钪镓石榴石晶体中的钇离子。
2.如权利要求1所述的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的制备方法，其特征在于：制备所述拉晶料的步骤包括：将原料除潮，按照YbaErbY3-a-bSc2Ga3O12的配比称量原料，其中，0.3<a≤2.1,b＝0.9；将原料混合均匀后静压成型；将成型后的原料放入高温炉中进行多晶料合成；降温后将合成的多晶料研磨，并再一次静压成型，得到所述拉晶料。
3.如权利要求2所述的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的制备方法，其特征在于：所述原料为Er2O3、Yb2O3、Y2O3、Sc2O3和Ga2O3，所述原料的纯度为5N～6N。
4.如权利要求1所述的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的制备方法，其特征在于：所述生长Yb:Er:YSGG晶体的方法为熔体提拉法。
5.如权利要求1所述的掺镱、铒钇钪镓石榴石晶体的制备方法，其特征在于：所述P2O5的用量为5、10、15或者20g；所述加热烘烤坩埚中的拉晶料的温度为200、300或者500℃；所述持续烘烤的时间为10、15或者20h。
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