CN104152998A - 一种中红外激光晶体Yb,Er,Eu:LaYSGG - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中红外波段激光晶体Yb,Er,Eu:LaYSGG，分子式Yb_3xEr_3yEu_3zLa_3wY_3(1-x-y-z-w)Sc₂Ga₃O₁₂，其中Yb³⁺的取代浓度为1～5at％，Er³⁺激活离子的取代浓度为10～50at％，Eu³⁺的取代浓度为0.1～5at％，La³⁺的取代浓度为1～10at％。晶体中共掺入Yb³⁺是为了增大晶体对泵浦光的吸收效率，掺入Eu³⁺使得Er³⁺离子激光下能级的荧光寿命得到一定的减小、以抑制自终态效应，从而有效提高2.7～2.8μm波段中红外激光输出的功效。

Description

一种中红外激光晶体Yb,Er,Eu:LaYSGG

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中红外波段激光在军事和民用两个方面都有非常重要的应用，是目前激光界的研究热点之一。铒离子的⁴I_11/2→⁴I_13/2跃迁，在不同的基质中可产生2.7-3.0μm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，这一性质使铒激光器在生物和医学领域已得了非常广泛的应用。另外，用2.7～3μm的激光泵浦中远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Y₃Sc₂Ga₃O₁₂(以下简称为YSGG)具有石榴石结构，化学性能稳定、硬度高、光学各向同性，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具有比著名的商业化晶体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。本发明提出一种新型的中红外激光晶体LaYSGG，即La³⁺掺入YSGG晶体取代Y的十二面体格位形成。La³⁺的引入使晶体结构无序度增加，从而使得稀土离子激活的LaYSGG晶体的吸收光谱和荧光光谱得以展宽，有助于提高激光输出功率和效率。

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的寿命高达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，可加快抽空激光下能级粒子的速度。1988年，Huber等人(Huber,etal,laser pumping of Ho,Tm,Er garnet laser atroom temperature,IEEE J of QuantumElectronics,1988,2:920)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，发现后者的斜率效率明显提高。这是由于Ho³⁺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Yb,Er,Eu:LaYSGG晶体中Eu³⁺的⁷F₆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，降低能级寿命，在振荡过程中激光介质可以保持较高的增益，提高激光输出的斜率效率。而共掺入Yb³⁺的目的是增大晶体对LD泵浦光的吸收效率，从而提高中红外波段的激光输出功效。

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，国外含钪石榴石晶体的研究又重新兴起。据检索，目前国内外都还没有关于Yb,Er,Eu:LaYSGG激光晶体的报道。掺杂Er³⁺的激光晶体可实现该波段激光的输出，这是由于Er³⁺在⁴I_11/2态和⁴I_13/2态之间跃迁产生的辐射波长刚好位于2.5～3.0μm范围内，这类晶体生长技术比较成熟，其中Er:YAG,Cr,Er:YSGG具备良好的激光特性，已经在牙科、外科手术、采血、激光美容等方面得以广泛应用。与YAG晶体相比，LaYSGG具有两个突出的优点：

(1)熔点比YAG低200℃，采取中频电源加热的提拉炉较容易获得大尺寸优质晶体。

(2)声子能量比YAG低，从而使其无辐射跃迁几率比较低，有利于提高激光效率。

总之，Yb,Er,Eu:LYSGG可以成为一种非常有前途的可实现2.7～2.8μm波段高效中红外激光输出的激光晶体材料。

发明内容

本发明的目的在于公开一种能够实现2.7～2.8μm高效中红外激光输出的激光晶体材料Yb,Er,Eu:LaYSGG。本发明针对现有技术中存在的上述问题，提出一种中红外激光晶体Yb,Er,Eu:LYSGG，其特征在于：晶体的化学式为Yb³⁺,Er³⁺,Eu³⁺:La_3wY_3-3wSc₂Ga₃O₁₂，分子式Yb_3xEr_3yEu_3zLa_3wY_3(1-x-y-z-w)Sc₂Ga₃O₁₂,式中0<x,y,z,w<l；其中Yb³⁺、Er³⁺、Eu³⁺和La³⁺都是取代晶体中十二面体中心位置的Y³⁺，Yb³⁺的掺杂浓度为1-5at％，Er³⁺的掺杂浓度为10～50at％，Eu³⁺的掺杂浓度为0.1-5at％，La³⁺的取代浓度为1-10at％。

所述晶体是以声子能量较低的镧掺杂钇钪镓石榴石为基质的激光晶体，其中Yb³⁺，Er³⁺和Eu³⁺取代晶体中十二面体中心位置的Y³⁺：Yb³⁺作为敏化剂使得该晶体在970nm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，Eu³⁺的⁷F₆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。

本发明的有益结果是，提供一种高效中红外激光晶体Yb,Er,Eu:LaYSGG，晶体属于立方晶系，可采用熔体提拉法生长出高光学均匀性的晶体。用Yb,Er,Eu:LaYSGG晶体产生的2.7～2.8μm波段激光在医疗、基础科学研究及军事等领域有着重要的应用。

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：Yb,Er,Eu:LaYSGG晶体的室温吸收光谱，从图中可以看出，共掺入Yb³⁺之后900～1026nm之间出现了一个宽的吸收峰，其中972nm与商业二极管泵浦波长匹配，适宜作为泵浦波长。

图2：Yb,Er,Eu:LaYSGG晶体在972nm泵浦下的中红外波段的荧光光谱，从图中可以看出主要有2个荧光发射波段，峰值波长分别为2640nm和2820nm。图3:LD泵浦激光实验装置。

具体实施方式：

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Ф70mm×50mm的铱坩埚，所用的原料是4N级的Y₂O₃、Sc₂O₃、La₂O₃、Ga₂O₃、Eu₂O₃、Er₂O₃和Yb₂O₃。根据下列化学反应式配制原料：

3xYb₂O₃+3yEr₂O₃+3zEu₂O₃+3wLa₂O₃+3(1-x-y-z-w)Y₂O₃+2Sc₂O₃+3Ga₂O₃＝2Yb_3xEr_3yEu_3zLa_3wY_3(1-x-y-z-w)Sc₂Ga₃O₁₂按化学计量比称量各原料，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1450℃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Ф70mm×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－0.01MPa，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[111]方向的YSGG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1.0～1.5mm/h,降温速率为1～10℃/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8～25℃/h的速率降至室温,得到尺寸为φ20mm×50mm的透明晶体。

我们采取提拉法生长了Yb³⁺、Er³⁺和Eu³⁺三掺的LaYSGG晶体，并测试其吸收光谱及荧光光谱，如图1和图2所示，结果发现：由于Yb³⁺的引入，Er³⁺/Yb³⁺:GGG晶体在900～1100nm波段具有强烈的吸收，吸收波段很宽，其中峰值波长972nm，与980nm商业二极管泵浦波长匹配，适合作为泵浦波长。随后，测试了Er,Yb:GGG晶体在972nm泵浦下的中红外波段的荧光光谱，主要出现2个荧光发射波段，峰值波长分别为2640nm和2820nm，对应Er³⁺:⁴I_11/2→⁴I_13/2。加工出尺寸为3×3×5mm的优质Yb,Er,Eu:LYSGG晶体器件，镀膜，采用970nm激光二极管作为泵浦源，进行激光实验。实验装置如附图3所示。结果表明：Yb,Er,Eu:LaYSGG是一种非常有前途的可实现2.7～2.8μm波段高效中红外激光输出的激光晶体材料。

Claims (1)

1.一种中红外激光晶体Yb,Er,Eu:LaYSGG，其特征在于：晶体的化学式为Yb³⁺,Er³⁺,Eu³⁺:La_3wY_3-3wSc₂Ga₃O₁₂，分子式Yb_3xEr_3yEu_3zLa_3wY_3(1-x-y-z-w)Sc₂Ga₃O₁₂，式中0<x，y，z，w<l；其中Yb³⁺、Er³⁺、Eu³⁺和La³⁺都是取代晶体中十二面体中心位置的Y³⁺，Yb³⁺的掺杂浓度为1-5at％，Er³⁺的掺杂浓度为10～50at％，Eu³⁺的掺杂浓度为0.1-5at％，La³⁺的取代浓度为1-10at％。