CN1062320C - 自调制激光基质晶体Cr4+,Yb3+∶Y3Al5O12 - Google Patents

Abstract

本发明的自调制激光晶体Cr⁴⁺，Yb³⁺：Y₃Al₅O₁₂是以Y₃Al₅O₁₂(YAG)作为基质，同时含有Cr⁴⁺和Yb³⁺两种离子和补偿离子Ca²⁺或Mg²⁺。因为在基质YAG中，掺杂Yb³⁺离子的浓度可以高达1～25mol%，则相应的Cr⁴⁺离子的调制范围也宽，利用Cr⁴⁺离子的可饱和吸收特性，对Yb³⁺的1.030mm激光实现自调Q。很适宜做为InGaAs半导体或Ti：Al₂O₃钛宝石激光泵浦的激光器，可不外加调制元件，实现自调Q。做成的激光器可以小型化、集成化和实用化。

Description

自调制激光基质晶体Cr4+,Yb3+:Y3Al5O12

本发明是关于一种新型的自调制激光基质晶体Cr⁴⁺，Yb³⁺∶Y₃Al₅O₁₂(YAG)。

早在1983年，中国电子工业部11所的桂尤喜、冀天来等人就在色心Nd∶YAG晶体中发现了可饱和吸收现象，并成功研究和开发出色心Nd∶YAG调制器和色心Nd∶YAG自调Q激光器，研究成果可参阅：激光与红外，10(1983)P.25～38。1988年，苏联科学家B.Angert等人在Cr⁴⁺∶YAG晶体中获得1300-1500nm可调谐的Cr⁴⁺激光输出，发表在：Sov.J.Quantum Electron.Vol.18，No.l(1988)P.73-74。同时Cr⁴⁺∶YAG晶体作为一种性能优良的可饱和吸收体，被广泛用作被动调Q开关。并由此确认我国电子工业部11所发明的色心Nd∶YAG晶体就是Cr⁴⁺，Nd∶YAG晶体，具有自调Q特性。

Yb³⁺∶YAG晶体是一种用于LD(激光二极管)泵浦高功率激光晶体，它具有荧光寿命长(1.2ms)、无浓度猝灭、上转换和激发态吸收，材料热效应低(为Nd∶YAG的1/4)，900～1100nm宽带吸收、光转换效率高达70％等优点。美国Lawrence Livermore NationalLaboratory(LLNL)实验室、林肯实验室和德国Stuttgart大学纷纷展开研究，参阅文献：Appl.Phys.B.58(1994)365-372.1991年林肯实验室P.Lacovara等人首次采用InGaAs半导体激光泵浦Yb³⁺∶YAG获得1.030mm室温激光输出，光斜率效率＞25％，参阅文献：Optics Letters，Vol.16，No.14(1991)P.1089～1091。随着InGaAs半导体激光器或列阵成本的降低，LD泵浦Yb³⁺∶YAG激光器将会商品化。

综上所述，目前仅有的自调Q激光基质晶体是Cr⁴⁺，Nd：石榴石(YAG，GSGG等)，但考虑到在这一晶体中，Nd³⁺的掺杂浓度低，对应的Cr⁴⁺离子的浓度调节范围窄，同掺Nd³⁺，Ca²⁺，Cr⁴⁺等离子晶体生长困难，器件结构和输出特性受到限制，有必要寻找另外的性能更好的自调Q激光材料。Yb³⁺，Cr⁴⁺∶YAG作为一种新型的自调Q激光晶体材料，可以克服以上缺点。

本发明的目的在于寻找一种新型的自调制激光基质晶体Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG，它不仅可高掺杂，而且生长容易。可直接采用InGaAs半导体激光泵浦，在不外加调制元件(如LiF色心、染料和主动调制)的情况下，实现自调Q1.030mm激光输出。

本发明的关键技术是在YAG晶体基质中同时产生Yb³⁺和Cr⁴⁺离子，用Cr⁴⁺离子的可饱和吸收特性对Yb³⁺的1.030mm激光实现自调Q。

本发明提出在YAG晶体生长配方中分别掺入Yb₂O₃，Cr₂O₃和CaO(或Mg)等三种合适比例成分原料，其中Ca²⁺(或Mg²⁺等)离子作为补偿离子，这样在YAG晶体中就能实现Yb³⁺和Cr⁴⁺离子同时共存。

本发明的Cr⁴⁺，Yb³⁺∶Y₃Al₅O₁₂晶体的原料配方为：

其中X=0.1～0.25，Y=0.001～0.01，Z=0.001～0.01。

本发明所用的提拉法(Czochralski)生长Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体的装置为普通的中频感应加热单晶炉。它包括铱(Ir)坩埚、真空系统、中频感应发生器电源和温控系统等部分。

Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体生长工艺流程如下：首先将Al₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃、Cr₂O₃和CaO(或Mg)高纯度粉料按上述比例配比称量，在混料机中机械混合后，用压料机压块成形，在1200℃以上高温烧结预先化学合成后，装入铱坩埚中，炉内用机械泵和扩散泵抽高真空至10^-5torr，充入一定压力的高纯氩气(或含1％左右氧气)。升温至晶体熔点(1940℃)，待料熔化后，以籽晶引晶，从熔体表面缓慢提拉晶体，晶体转速为10～30rpm，拉速为0.5～2mm/hr，生长晶体后，缓慢降温至室温。

将以上晶体经X光定向切割，样品表面经粗、细磨和抛光，使样品表面具有良好的光洁度，测量晶体的光谱特性。

晶体的吸收光谱测量所用仪器是PERKIN-ELMERl-9 UV/VIS/NIR型分光光度计。图1是Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体的吸收光谱，与单掺Cr⁴⁺和单掺Yb³⁺的YAG吸收光谱比较于图2和图3。图1中曲线1为Cr³⁺离子的主吸收，曲线2为Yb³⁺+Cr⁴⁺离子的主吸收。图2是单掺Cr⁴⁺离子(Cr掺杂浓度与图1相同)的Cr⁴⁺∶YAG晶体室温吸收光谱，其中曲线3为Cr³⁺离子的主吸收，曲线4为Cr⁴⁺离子的主吸收。图3是单掺Yb³⁺离子(Yb掺杂浓度与图1相同)的Yb³⁺∶YAG晶体室温吸收光谱。

Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体的发光光谱和发光特性同Yb³⁺∶YAG晶体相当：940nm吸收截面σ_abs=0.8×10^-20cm²，1.030um发射截面σ_g=2×10^-20cm²，荧光寿命τ=1.1ms。^Yb3+的发光波长1.03mm正好位于Cr⁴⁺的吸收波段内。

为了有效提高Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体中Cr⁴⁺离子浓度，将晶体在1000～1600℃下氧化气氛退火。

考虑到晶体调Q判据：σ_a/σ_g×A_g/A_a＞1。其中Yb³⁺的发射截面σ_g=2×10^-20cm²，A_g为Yb³⁺的光斑面积；Cr⁴⁺的吸收截面σ_a=3×10^-18cm²，A_a为Cr⁴⁺的光斑面积。

对于自调Q晶体A_g=A_a，因此σ_a／σ_g=150＞＞1。在此情况下，Cr⁴⁺离子能有效地对Yb³⁺调制，即Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体是个优良的自调Q激光晶体。

本发明的优点是Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体本身掺杂Yb³⁺浓度可以高达1～25mol％，相对应的Cr⁴⁺离子的调节范围也可很宽，制作激光器时，器件可以做成薄片状。由于Yb³⁺(0.086nm)离子半径与Y³⁺(0.089nm)相近，晶体生长容易。Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体在0.9～1.1μm有宽带吸收，适宜于InGaAs半导体或Ti∶Al₂O₃激光泵浦，在不外加调制元件(如LiF色心、染料和主动元件)的情况下，实现自调Q 1.03μm激光输出，可使整套激光器件更加小型化、集成化和实用化。

附图说明：

图1是Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体的室温吸收光谱

图2是单掺Cr⁴⁺离子(Cr掺杂浓度与图1相同)的Cr⁴⁺∶YAG晶体室温吸收光谱

图3是单掺Yb³⁺离子(Yb掺杂浓度与图1相同)的Yb³⁺∶YAG晶体室温吸收光谱

图中：横座标为波长(Wavelength)，

纵坐标为光密度(Optical Density)。

实施例1：

用上述的原料配比和工艺流程生长Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体，原料配比中取x=0.2，y=0.005，z=0.005。

所以，将Al₂O₃，Y₂O₃，Yb₂O₃，Cr₂O₃，和CaO高纯原料(含量均＞99.99％)按照1∶1∶0.2∶0.005∶0.005比例配比称量，在混料机中混合24小时后，用2t/cm²的等静压力锻压成块。在1200℃温度下空气中烧结，装入铱坩埚，炉内抽真空至10^-5torr后，充入1个大气压的高纯氩气。升温至1940℃，料熔化，以[111]定向的籽晶引晶，从熔体表面缓慢引上晶体，晶体转速为15rpm，拉速为1mm/hr，长完晶体后，以50℃/hr速率降温至室温。取出晶体，晶体结晶完整，Yb³⁺浓度均匀分布，而Cr⁴⁺浓度头部深，尾部浅。Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG与Cr⁴⁺∶YAG，Yb³⁺∶YAG晶体的比较吸收光谱分别见图1、图2和图3。

Claims (1)

1、一种自调制激光晶体Cr⁴⁺，Yb³⁺∶Y₃Al₅O₁₂，以Y₃Al₅O₁₂(YAG)作为基质，掺杂Cr⁴⁺和Yb³⁺离子，其特征在于在基质Y₃Al₅O₁₂中掺有补偿离子Ca²⁺离子或者Mg²⁺离子，使Cr⁴⁺和Yb³⁺两种离子在基质YAG中同时共存，其中两种离子Cr⁴⁺和Yb³⁺的含量是提拉法生长的原料配方所决定，其具体的原料配方是：

其中x=0.1～0.25，

y=0.001～0.01，

z=0.001～0.01。

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