CN103820857A - Nd3+敏化Er3+的镓酸钆锶中红外激光晶体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共掺Nd³⁺敏化离子的Er³⁺激活的镓酸钆锶晶体中红外波段超快激光晶体材料，化学式为Nd³⁺,Er³⁺:SrGdGa₃O₇，其中Er³⁺的掺杂浓度30～50at％，Nd³⁺的掺杂浓度5～10at％。该晶体中掺入的敏化离子Nd³⁺一方面可提高晶体对泵浦光的吸收效率、从而增大～2.7μm波段的荧光发射，另一方面使得～1.54μm近红外波段的荧光淬灭，有利于提高晶体在2.5～3.0μm中红外波段的荧光发光效率，从而有助于提高该波段超快激光输出的功效。

Description

Nd3+敏化Er3+的镓酸钆锶中红外激光晶体

技术领域

本发明涉及激光晶体材料领域。

背景技术

2.5～3.0μm激光波段覆盖了水的吸收峰(2.7μm附近)，因此对组织的穿透深度浅，且对人体安全，另外可用光纤传输，因此成为医疗上一种很好的外科手术光源。另外，该波段固体激光器在遥感、环境保护和光通信等方面也有着重要的研究前景，是激光测距仪、相干多普勒测风雷达、水蒸气抛面差分吸收激光雷达系统等的理想光源。同时，它还是获得中远红外波段光学参量振荡器的理想抽运源。因此从20世纪60年代开始，人们围绕如何提高2.5～3.0μm波段激光器的输出功率和效率，从材料到器件的多方位研究。除此之外，2.5～3.0μm波段激光在工农业和国民经济建设上也有着广泛的应用前景，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。

Er³⁺离子⁴I_11/2→⁴I_13/2跃迁可产生2.5～3.0μm波段的激光。根据文献调研，已有Er³⁺离子激活的激光晶体上实现了该波段荧光,例如Er:YAG，Er:YAP,Er:YSGG,Er:GGG等，但是由于Er³⁺在红外波段的吸收非常微弱，对LD泵浦光的利用率很低，从而导致2.5～3.0μm波段激光输出的功效比较低。如果在Er³⁺离子激活的激光晶体上共掺入Nd³⁺将大大增加泵浦源对光的吸收效率，从而有利于提高激光的输出功效。根据文献调研，研究人员已在共掺Nd³⁺和Er³⁺的硫卤化物玻璃上实现～2.7μm强的荧光发射，详见“Enhanced mid-infrared emissions of Er³⁺at2.7μm viaNd³⁺sensitization in chalcohalide glass”，Opt.Lett.36(2011)1815。Nd³⁺对Er³⁺的敏化作用主要包括两个方面：Nd³⁺对应于⁴F_5/2,²H_9/2→⁴I_9/2的宽带吸收峰与Er³⁺：⁴I_9/2→⁴I_15/2的吸收峰重合，Nd³⁺作为敏化剂使得该晶体在808nm附近的吸收峰强度增大、半峰宽变宽，可增大晶体对泵浦光的吸收，从而提高泵浦效率；另一方面，Nd³⁺的⁴I_15/2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増益，提高激光输出的斜率效率。

SrGdGa₃O₇属于ABC₃O₇（A=Ca,Sr,Ba；B=La，Gd；C=Ga,Al）晶体家族中的一员，简写为SGGM，具有无序黄长石结构。熔点为1600℃，同成分熔化，空间群是

沿c方向，CO₄ ^5-四面体构成层状机构，层与层之间，A²⁺和B³⁺以1:1比例随机分布在八个氧原子配位的格点上。在无序晶体中，原来的一种离子占据的格位，被两种离子随机占据，基质晶体中形成许多结构上不同的稀土离子激活中心，造成光谱包括吸收光谱和发射光谱非均匀加宽，并使得受激发射截面减小。小发射截面的激光材料适合于在调Q激光领域的应用，而宽的发射谱线的激光材料是产生锁模超快（尤其是飞秒脉冲）激光所梦寐以求的。显然地，SGGM是一种优良的激光基质晶体,与现有的YAG\YAP\YSGG\GGG晶体相比，它的熔点比较低，较容易采用提拉法获得大尺寸优质晶体，而与其它镓酸盐例如YSGG和GGG晶体相比，它还有一个突出的优点——晶体结构无序，从而导致Nd³⁺，Er³⁺掺杂的SGGM晶体的光谱展宽，有利于实现中红外波段超快激光。但是，目前对该晶体研究的重点主要是集中在Nd³⁺激活的高功率激光晶体，对于其它激活离子掺杂的SGGM激光晶体的研究较少，特别是对于Er³⁺激活、Nd^3＋敏化的SGGM激光晶体的生长、光谱和激光性能的研究，目前国内外都尚无相关的研究报道。

发明内容

本发明的目的在于公开一种能够实现2.5μm～3.0μm波段超快激光输出的晶体材料Nd³⁺，Er^3＋：SrGdGa₃O₇。本发明针对现有技术中存在的发光效率低下的问题，提供了一种共掺Nd³⁺敏化离子的Er³⁺激活的镓酸钆锶中红外激光晶体，晶体的化学式为Nd³⁺，Er³⁺:SrGdGa₃O₇，其中Er³⁺的掺杂浓度30～50at%，Nd³⁺掺杂浓度5～10at%，Nd³⁺和Er³⁺均取代晶体中的Gd³⁺，以便解决LD泵浦产生2.5μm～3.0μm波段超快激光输出时的功率和效率低下问题。

本发明的有益效果是，由于Nd³⁺,Er³⁺:SrGdGa₃O₇晶体中Nd³⁺对应于⁴F_5/2,²H_9/2→⁴I_9/2的宽带吸收峰与Er³⁺：⁴I_9/2→⁴I_15/2的吸收峰重合，Nd³⁺作为敏化剂使得该晶体在808nm附近的吸收峰强度增大、半峰宽变宽，可增大晶体对泵浦光的吸收，从而提高泵浦效率；另一方面，Nd³⁺的⁴I_15/2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。这两点使得Nd³⁺,Er³⁺:SrGdGa₃O₇晶体在振荡过程中激光介质可以保持较高的増益，极大地提高激光输出的功率和效率。Nd³⁺,Er^3＋:SrGdGa₃O₇晶体可以成为一种优秀的能实现2.5μm～3.0μm波段超快激光输出的中红外激光晶体材料。

附图说明

以下结合附图对本发明的实施方式进行具体描述:

图1：Nd³⁺,Er³⁺:SrGdGa₃O₇和Er³⁺:SrGdGa₃O₇晶体的室温吸收光谱。

图2：Nd³⁺,Er³⁺:SrGdGa₃O₇和Er³⁺:SrGdGa₃O₇晶体在近红外波段的室温荧光光谱。

图3：Nd³⁺,Er³⁺:SrGdGa₃O₇和Er³⁺:SrGdGa₃O₇晶体在中红外波段的室温荧光光谱。

图4.激光实验装置。

具体实施方式：

Nd³⁺,Er³⁺:SrGdGa₃O₇晶体的生长制备和光谱性能

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Ф55mm×30mm的铱坩埚，所用的原料是4N级的SrCO₃、Gd₂O₃、Ga₂O₃、Er₂O₃、Nd₂O₃。根据下列化学反应式配制原料：

2SrCO₃+(1-x-y)Gd₂O₃+xNd₂O₃+yEr₂O₃+3Ga₂O₃→2SrGd_(1－x-y)Nd_xEr_yGa₃O₇+CO₂↑，

式中x=0.05～0.1（即Nd³⁺掺杂浓度5～10at%）;y=0.3～0.5（即Er³⁺掺杂浓度30～50at%）。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1200℃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Ф55mm×30mm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－0.01MPa，再充入高纯氮气使得气压达到0.04MPa,然后升温到比熔点高50℃的温度，恒温1小时，使得原料熔化完全。以c方向的SGGM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,得到尺寸大于

的透明晶体。

我们采用提拉法生长了尺寸大于20mm的Nd³⁺、Er^3＋共掺的SrGdGa₃O₇晶体以及相同浓度的Er^3＋单掺的SrGdGa₃O₇晶体，测试了两种晶体样品的吸收光谱、中红外荧光光谱及寿命进行对比，分别如图1，2，3所示，从图1里两种晶体的吸收光谱可以看出：共掺的敏化离子Nd³⁺使得Er^3＋:SrGdGa₃O₇晶体在808nm附近的吸收明显增强，有利于商业化LD泵浦。从图2和图3可以看出，采用808nm泵浦发现Nd³⁺,Er^3＋:SrGdGa₃O₇晶体在2500～3000nm之间有一个宽带荧光峰，峰值波长位于2720nm，对应⁴I_11/2→⁴I_13/2。Nd³⁺的掺入使Er^3＋:SrGdGa₃O₇晶体在～1.54μm近红外波段的发光淬灭，同时使～2.7μm波段荧光发射增强了十倍之多，非常有利于实现～2.7μm波段激光。从生长的晶体加工出尺寸为3×3×5mm的优质Nd³⁺,Er^3＋:SrGdGa₃O₇晶体器件，镀膜，采用808nm激光二极管作为泵浦源，进行激光实验，实验装置如附图4所示。

总之，Nd³⁺,Er^3＋:SrGdGa₃O₇晶体是一种潜在的、优秀的能实现2.5μm～3.0μm波段激光超快输出的晶体材料。

Claims (2)

1.一种Nd³⁺敏化Er³⁺的镓酸钆锶晶体，其特征在于：晶体的化学式为Nd³⁺,Er³⁺:SrGdGa₃O₇，其中Er³⁺的掺杂浓度30～50at%，Nd³⁺掺杂浓度5～10at%，Nd³⁺和Er³⁺均取代晶体中Gd³⁺的格位。

2.一种权利要求1所述晶体的用途，用作LD泵浦直接实现2.5μm～3.0μm波段锁模超快激光输出的中红外激光晶体材料。

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