CN107230928A - 面向3.7~4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体 - Google Patents

面向3.7~4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，涉及中红外激光增益材料领域，该激光晶体中，三价钬离子作为激活离子，对应的能级跃迁为Ho3+：5I5→5I6，三价钕离子具有双重作用，一方面，既可作为三价钬离子的敏化离子，使得晶体适合于商业化、大功率LD泵浦，另一方面，又可作为三价钬离子的退激活离子，使得三价钬离子的激光下能级5I6能级寿命大大降低，同时三价钬离子的激光上能级5I5能级寿命没有明显的变化，有利于实现粒子数反转，实现有效激光输出，降低激光阈值和提高激光效率。该激光晶体可以用于3.7～4.2微米的激光输出，在医疗、科研及军事等领域有着重要的应用前景。

Description

面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体
技术领域
本发明涉及激光晶体增益材料技术领域，具体涉及一种面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体。
背景技术
3.7～4.2微米波段激光在大气污染监控、传感、医疗、海洋探测、工程控制、光谱学、遥感、激光雷达、光电对抗等民用和军用领域具有等领域具有广泛的应用前景。在众多稀土离子中，Ho3+离子是实现3～5微米波段激光输出的有效稀土离子之一，其中5I5→5I6的能级跃迁可产生3.7～4.2微米波段的激光。
在国外，2004年，Stutz等在Ho:BaY2F8(BYF)晶体中获得3.9微米的脉冲激光输出，抽运光为889nm的Cr3+:LiSAF脉冲激光，当Ho:BYF的掺杂浓度为30％时，采用双向泵浦方式，在253K的温度下，获得最高90mJ的3.9微米脉冲激光输出。目前最好的结果是由美国军工生产厂家Northrop Grumman公司在Ho:YLF晶体中获得的，已经实现180mJ的3.9微米脉冲激光输出。然而依然存在这样的问题：泵浦源局限于889nm的Cr3+:LiSAF脉冲激光、系统复杂、稳定性差、激光输出能量低、效率低等。
而在国内，该方面的研究远远落后于国外，目前只有长春理工大学、天津大学、清华大学以及四川大学等在Ho3+掺杂YLF和BYF晶体的生长与光学性能方面进行过少量相关报道。
综上所述，目前基于Ho3+掺杂激光晶体实现3.7～4.2微米激光输出仍难以被广泛应用，泵浦源局限于889nm的Cr3+:LiSAF脉冲激光、系统复杂、稳定性差、激光输出能量低、效率低等，通过分析其主要原因在于：缺乏高效3.7～4.2微米荧光发射的中红外激光增益材料。主要表现在以下几个方面：(i)Ho3+上能级5I5的荧光寿命远远低于下能级5I6的荧光寿命，难于形成粒子数反转，导致激光自终止；(ii)Ho3+离子在889nm吸收弱，需要高掺杂浓度来提高泵浦吸收效率，反而增加晶体缺陷，降低激光输出效率；(iii)相比目前发展成熟的LD，Cr3+:LiSAF脉冲激光作为泵浦源使得系统复杂、稳定性差、成本高。
因此研究面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体对发展3.7～4.2微米的激光输出具有重要意义。目前，国内外未见有钬钕双掺晶体作为3.7～4.2微米中红外激光晶体的相关报道。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，该晶体可以实现3.7～4.2微米的激光输出，在医疗、科研及军事等领域有着重要的应用前景。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，所述激光晶体的掺杂离子为Ho3+和Nd3+共掺杂，其中所述Ho3+作为激活离子，所述Nd3+既作为所述Ho3+的敏化离子，又作为所述Ho3+的退激活离子；
所述激光晶体在半导体激光器泵浦下，Nd3+有效吸收能量，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Nd3+:4F3/2到Ho3+:5I5的能量传递，将能量转移给Ho3+离子，实现Nd3+离子的敏化功能，使晶体适合半导体激光器泵浦；接着，发生Ho3+：5I5→5I6的能级跃迁，发出3.7～4.2微米的荧光，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Ho3+:5I6到Nd3+:4I15/2的能量传递，加快Ho3+下能级5I6的粒子抽空速率，达到退激活作用，降低下能级5I6的能级寿命，利于粒子数反转的形成。
进一步地，所述Ho3+的掺杂浓度范围为：0.1～50mol％，所述Nd3+的掺杂浓度范围为：0.1～20mol％。
进一步地，所述基质材料包括氟化钇钡、氟化镥锂、氟化铱锂、氟化铅、氟化钙、氟化镁、氟化锶、氟化镧、钇铝石榴石、铝酸镥石榴石、铝酸钇、铝酸镥、钆镓石榴石、SrGdGa3O7、SrLaGa3O7、CaYAlO4、CaGdAlO4、Y3Sc2Ga3O12、Gd3Sc2Ga3O12、PbGa2S4、KPb2Br5和KPb2Cl5。
进一步地，所述半导体激光器所采用的泵浦源为780～830纳米。
进一步地，所述激光晶体用于实现3.7～4.2微米波段全固态激光输出。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明首次提出通过三价钕离子(Nd3+离子)共掺来敏化三价钬离子(Ho3+离子)和降低三价钬离子(Ho3+离子)激光下能级5I6寿命的学术思想，达到同时实现晶体的LD泵浦和增强3.7～4.2微米中红外荧光发射的双重目的，利于粒子数反转的形成，进而提高Ho3+激活中红外激光晶体的激光输出效率。
附图说明
图1为Ho3+,Nd3+能级跃迁示意图；
图2为Ho3+/Nd3+:PbF2晶体和Ho3+:PbF2晶体的荧光光谱；
图3为Ho3+/Nd3+:PbF2晶体5I6能级的荧光衰减曲线；
图4为Ho3+:PbF2晶体5I6能级的荧光衰减曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例公开了一种面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，其中，三价钬离子(Ho3+)作为激活离子，能够发出3.7～4.2微米的荧光，对应的能级跃迁为Ho3+：5I5→5I6；三价钕离子(Nd3+)具有双重作用，既可作为三价钬离子的敏化离子，又可作为三价钬离子的退激活离子，如图1所示：在发展成熟的半导体激光器(LD)泵浦下，中心波长范围为：780～830nm(即采用泵浦源为780～830纳米的半导体激光器)，Nd3+有效吸收能量，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Nd3+:4F3/2到Ho3+:5I5的能量传递，将能量转移给Ho3+离子，实现Nd3+离子的敏化功能，使晶体适合半导体激光器(LD)泵浦；接着，发生Ho3 +：5I5→5I6的能级跃迁，发出3.7～4.2微米的荧光，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Ho3+:5I6到Nd3+:4I15/2的能量传递，加快Ho3+下能级5I6的粒子抽空速率，达到退激活作用，降低下能级5I6的能级寿命，利于粒子数反转的形成。
此类晶体中，三价钬离子(Ho3+)的掺杂浓度范围为：0.1～50mol％，三价钕离子(Nd3+)的掺杂浓度范围为：0.1～20mol％。
该类晶体的基质材料声子能量低，基质材料包括氟化钇钡(BaY2F8)，氟化镥锂(LuLiF4)，氟化铱锂(YLiF4)，氟化铅(PbF2)，氟化钙(CaF2)，氟化镁(MgF2)，氟化锶(SrF3)，氟化镧(LaF3)，钇铝石榴石(Y3Al5O12)，铝酸镥石榴石(Lu3Al5O12)，铝酸钇(YAlO3)，铝酸镥(LuAlO3)，钆镓石榴石(Gd3Ga5O12)，SrGdGa3O7，SrLaGa3O7,CaYAlO4，CaGdAlO4，Y3Sc2Ga3O12，Gd3Sc2Ga3O12，PbGa2S4，KPb2Br5，KPb2Cl5等晶体。
本实施例中公开的新型高效中红外钬钕双掺激光晶体能够用于实现3.7～4.2微米波段激光输出。
实施例二
本实施例中选用纯度大于99.99％的原料PbF2、NdF3和HoF3，采用坩埚下降法进行晶体生长，成功生长了钬钕共掺杂氟化铅中红外激光晶体，其中三价钬离子(Ho3+)的掺杂浓度为2mol％，三价钕离子(Nd3+)的掺杂浓度为2mol％。成功生长晶体后，加工尺寸为8×8×1mm3的样品进行光谱测试，在808nm LD激发下，成功测试到3.7～4.2微米中红外荧光发射光谱曲线，结果如图2所示，证明了钕离子对钬离子的敏化作用。同时，采用坩埚下降法成功生长了钬离子单掺的氟化铅晶体，其中钬离子的掺杂浓度为2mol％，同样对其进行光谱性能测试，测试了该晶体的3.7～4.2微米中红外荧光发射光谱曲线，并且与钬钕双掺氟化铅晶体进行对比，结果如图2所示，可以看出，钕离子的掺入，能够有效地增强晶体的3.7～4.2微米中红外荧光发射。为了进一步对钕离子的退激活效应进行研究，测试了晶体激光下能级的荧光寿命，结果如图3和图4所示，由图可见，钕离子的掺入，能够有效地降低激光下能级荧光寿命，从单掺钬离子的5.4ms下降到钬钕共掺的2.0ms，下降幅度达到63％，直接从实验上证明了钕离子对钬离子的退激活效应。
这是国际上首次在Ho3+离子激活激光晶体上直接LD激发产生增强的3.7～4.2微米波段荧光发射，具有重要的研究价值和应用前景。同时也表明：钬钕共掺新型中红外激光晶体有望成为一种既适合LD泵浦，又具备高效3.7～4.2微米荧光发射的新型中红外激光增益材料，实现高效的激光输出。
综上所述，本发明首次提出了通过在Ho3+激活晶体中共掺具有敏化与退激活双重作用的Nd3+离子的学术思想，实现了晶体的LD泵浦和降低下能级寿命、增强3.7～4.2微米荧光发射的双层目的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，其特征在于，所述激光晶体的掺杂离子为Ho3+和Nd3+共掺杂，其中所述Ho3+作为激活离子，所述Nd3+既作为所述Ho3+的敏化离子，又作为所述Ho3+的退激活离子；
所述激光晶体在半导体激光器泵浦下，Nd3+有效吸收能量，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Nd3+:4F3/2到Ho3+:5I5的能量传递，将能量转移给Ho3+离子，实现Nd3+离子的敏化功能，使晶体适合半导体激光器泵浦；接着，发生Ho3+：5I5→5I6的能级跃迁，发出3.7～4.2微米的荧光，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Ho3+:5I6到Nd3+:4I15/2的能量传递，加快Ho3+下能级5I6的粒子抽空速率，达到退激活作用，降低下能级5I6的能级寿命，利于粒子数反转的形成。
2.根据权利要求1所述的面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，其特征在于，
所述Ho3+的掺杂浓度范围为：0.1～50mol％，所述Nd3+的掺杂浓度范围为：0.1～20mol％。
3.根据权利要求1所述的面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，其特征在于，
所述基质材料包括氟化钇钡、氟化镥锂、氟化铱锂、氟化铅、氟化钙、氟化镁、氟化锶、氟化镧、钇铝石榴石、铝酸镥石榴石、铝酸钇、铝酸镥、钆镓石榴石、SrGdGa3O7、SrLaGa3O7、CaYAlO4、CaGdAlO4、Y3Sc2Ga3O12、Gd3Sc2Ga3O12、PbGa2S4、KPb2Br5和KPb2Cl5。
4.根据权利要求1所述的面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，其特征在于，
所述半导体激光器所采用的泵浦源为780～830纳米。
5.根据权利要求1所述的面向3.7～4.2微米全固体激光器的中红外钬钕双掺激光晶体，其特征在于，
所述激光晶体用于实现3.7～4.2微米波段全固态激光输出。
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