[发明专利]大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光晶体，具体涉及一种大尺寸掺镱硅酸钪激光晶体及其制备方法，属于晶体生长领域。

背景技术

Yb³+激光材料在900-980nm范围具有较强的吸收，能与高效的InGaAs激光二极管(波长为900-1100nm)有效地耦合；加之它能级简单，抽运波长与振荡波长相近，量子效率高，十分有利于在1000nm附近实现超快高功率激光输出。此外，掺Yb³⁺激光晶体在惯性约束核聚变以及通信、军事上的巨大应用潜力，更将掺Yb³⁺激光晶体的研究推向了高潮。一般而言，Yb离子占据基质中低对称性的格位非常有利于Yb宽调谐和吸收。至今，已发现适宜于宽调谐超快激光输出的掺Yb激光材料主要有：Yb:Y₃Al₅O₁₂(Yb:YAG)，Yb:Y₂SiO₅(Yb:YSO)，Yb:Gd₂SiO₅(Yb:GSO)和Yb:CaF₂等材料(参见Opt.Lett.，1995，Vol.20，No.23，p.2402-2404；Opt.Lett.，2006，Vol.31，No.10，p.1555-1557；Opt.Express，2007，Vol.15，No.5，p.2354-2359；Commercial and Biomedical Applications of UltrafastLasers V.Edited by Neev，Joseph；Schaffer，Christopher B.Proceedings of the SPIE，2005，Vol.5714，p.186-194)。这些材料的主要光谱等物理性能如下表1所示：

表1  各种掺Yb³⁺激光晶体的特性

表1列出了几种已经实现飞秒激光输出的掺Yb³⁺激光晶体的特性。从表1中可知，Yb:CaF₂具有相对较宽的发射半高宽(约80nm)，十分有利于超快激光输出；但是该晶体的热导率相对较低，这对高功率激光运转十分不利。Yb:YAG和Yb:GSO晶体的热导率相对较高(约5.2-5.3W/mK)，但Yb:YAG发射带宽相对较窄；Yb:GSO晶体的发射截面也较小。另外，表1中所列的Yb:GSO熔点较高且具解理性质，制备不易。

综上所述，在先技术中使用的宽调谐超快高功率Yb掺杂激光材料的综合性能欠佳(宽发射谱带和高热导率不能同时兼有，而且部分晶体的制备较难)，还远不能满足日益发展的LD泵浦的全固态宽调谐高功率超快激光应用的需要。

发明内容

本发明的目的是克服在先技术的缺点，提供一种兼有宽发射半高宽和较高热导率、容易制备的Yb掺杂激光晶体材料：(Yb_xSc_1-x)₂SiO₅(0.001≤x≤0.2)，(简称为Yb:SSO)。

稀土硅酸盐介质Sc₂SiO₅(SSO)熔点约为1920℃，属于单斜C_2/c空间群结构，在C_2/c空间结构上稀土阳离子Sc³⁺占据两个结晶学格位，掺杂离子如Yb³⁺将取代Sc³⁺所占据的格位。Yb:SSO单晶生长温度要比GSO晶体低，约在1920℃左右，故易于生长尺寸大、高光学质量的晶体。

本发明所述的Yb:SSO激光晶体具有C_2/m单斜结构，随着Yb浓度的增加，(Yb_xSc_1-x)₂SiO₅(0.001≤x≤0.2)单晶的晶格常数(a，b，c和β)也随着变化，其中11.049(4)nm≤a≤13.677(8)nm，5.484(8)nm≤b≤7.906(6)nm，8.468(8)nm≤c≤10.972(4)nm，91.19°≤β≤105.0°。

本发明所述的Yb:SSO单晶的单斜C_2/c空间群结构的无序度进一步加大等优点，使掺入其中的Yb离子的吸收和发射峰非均匀加宽，有利于实现宽带可调谐发射。