[发明专利]镝激活的氟化钙新型中红外激光晶体材料

说明书

技术领域：

本发明涉及激光晶体材料领域，特别涉及一类中红外激光晶体CaF₂:Dy³⁺和CaF₂:Dy³⁺:Yb³⁺。

背景技术：

中红外激光可以通过几种方法运作，其中通过稀土或过渡族离子激活的激光晶体直接产生中红外辐射是一种最简便有效的方法，是目前研究的热点。

激光晶体直接产生高效中红外激光输出的主要问题是：由于中红外激光频率很低，与许多著名激光晶体的晶格振动频率即声子振动频率相当，这样导致了快速无辐射弛豫与激光发射的强烈竞争，因此，导致了激光的高被动损耗。为了克服这个问题，必须选择具有低声子振动频率的材料，而在激光的运转过程中需要采用低温的条件。

要直接产生中红外激光，不仅要求激光基质的声子能量要小于500cm^-1，声子能量越小，则无辐射弛豫几率也越小。同时，激光基质的光谱在3.0μm～5.0μm要高透，并且要具有高的抗光损伤阈值和良好的物化性能，而激光晶体则要有大的发射截面(σ_em＞10^-21～10^-20cm²)。

一般基质材料的最大声子振动频率的大小次序如下：氧化物＞氟化物＞硫化物(包括II-VI族半导体主体晶体材料如ZnSe，ZnS，ZnTe)＞氯化物。在氧化物中，硼酸盐＞磷酸盐＞硅酸盐＞氟磷酸盐(酯)＞钒酸盐(或酯)＞锗酸盐＞铝酸盐＞亚碲酸盐＞五倍子酸盐，没食子酸盐。对于3.0μm～4.0μm的激光，还可以选择氧化物晶体作为基质材料，而对于＞4.0μm的激光，氧化物晶体则不能作为基质材料，只有选择卤化物和硫化物作为基质材料。

目前，在国际上，中红外激光晶体是科学界的研究热点，俄美和欧洲已经走在前面，而国内才刚起步。稀土或过渡族离子激活的的激光晶体是可以产生3.0μm~5.0μm中红外激光的，Tb³⁺、Dy³⁺、Er³⁺、Ho³⁺、Cr²⁺、Co²⁺等便是有效的激活离子。近几年来，俄罗斯激光晶体专家Kaminskii等研究了BaYb₂F₈:pr³⁺、YLF:Ho³⁺、YLF:Dy³⁺、BaF₂:LaF₂:Nd³⁺激光晶体，实现了3.5μm～5.15μm的μJ量级激光输山，Ganem和Bowman等研究了PrCl₃晶体，在5.242μm和7μm处产生了mJ量级的激光输出，而Nostand，M.C.研究了CaGa₂S₄:Dy³⁺晶体，在4.38μm获得了激光输出，Bowman等研究了KPb₂Cl₅:Dy³⁺激光晶体，在4.6μm处获得了激光输出。我国华北光电技术研究所报道了Cr，Yb，Ho:YAGG晶体在2.84μm～3.05μm之间实现了连续可调谐的激光输出。法国科学家R.Moncorge等研究了掺杂Yb:Dy和Tm:Dy的LiYF₁和KY₃F₁₀晶体，获得了Dy³⁺离子2.8～3.08μm的宽带荧光发射峰，证明了它们作为3.0μm激光晶体的潜在可能性。CaF₂属于立方晶系，空间群为晶胞参数为：a＝5.471，V＝163.78。它的透过波段范围较宽，高透过率使其在真空紫外至中红外波段被广泛用作光学介质，而氟化物最大声子能量一般为～400cm^-1(因为具有较低的声子能量，氟化物一般是很好的上转换激光晶体)，不潮解，是一种良好的中红外激光基质材料。而Dy³⁺离子能级丰富，采用1.34μm光源激发，可产生3.0μm～5.0μm的荧光，而Yb³⁺离子可以敏化Dy³⁺，如果采用Yb³⁺离子敏化，则可采用GaAlAs半导体作为激发源。因此，CaF₂:Dy³⁺和CaF₂:Dy³⁺:Yb³⁺有望成为一类良好的中红外激光晶体材料。目前，国内外未见有CaF₂:Dy³⁺和CaF₂:Dy³⁺:Yb³⁺作为中红外激光晶体的报道。