[发明专利]一种掺钬、铬、铒、铥钇铝石榴石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及其制备方法，具体涉及一种掺钬、铬、铒、铥钇铝石榴 石激光晶体及其制备方法。

背景技术

波长为2.1μm的钬(Ho)激光能为人体组织强烈吸收，穿透深度浅，因而用于激 光外科手术治疗，对人体组织损伤小，具有较理想的切除、汽化、烧蚀和凝血作用。而 且手术控制精度高，特别适合在神经和血管比较密集的病灶部位做手术。Ho激光可用 无水(低OH^-离子含量)石英光纤传输，传输损耗低、效率高，易于制成高效的光纤传 输激光医疗系统。因而Ho激光手术治疗仪已经广泛应用于人体体表疾病、肌肉组织焊 接、牙科疾病、经内窥镜、泌尿外科和妇科疾病、冠心病、关节粘连解除、半月板切除、 韧带松解、关节滑膜切除、关节囊肿和其它软组织切除、骨性关节炎等治疗，在所有激 光手术治疗中Ho激光占有重要地位。Ho激光对人眼安全，大气消光比低，对雨和雾的 穿透能力高，绿色植被和潮湿土壤等对它的吸收大、反射小，在激光探测中有利于地面 目标与背景的区分，能精确跟踪卫星和火箭，因而在激光测距、目标指示、激光雷达和 红外光电对抗等领域可获得广泛应用。Ho激光还是3～5μm光参量振荡器的常用泵浦源 和中红外探测器的较理想光源，因此，Ho激光具有广阔的应用和发展前景。

Ho激光的发展历程最早可追溯到激光刚刚问世的20世纪60年代，1965年美国Bell 实验室Johnson等人首先报道了掺钬钇铝石榴石(简写为Ho:YAG)晶体在液氮温度下 实现激光振荡，波长为2.1μm。激光产生于Ho³⁺离子⁵I₇→⁵I₈跃迁，为准三能级系统工 作，激光跃迁终端为基态⁵I₈斯塔克分裂子能级。由于终端能级能量较低，温度高于80K 时热激发导致终端能级粒子数迅速增加，因而产生激光的阈值很高。另一方面，晶体中 Ho³⁺吸收跃迁属于晶场诱导的4f电子组态内电偶极跃迁，为窄带弱吸收，对闪光灯泵 浦辐射的吸收很差，泵浦阈值很高，所以Ho:YAG晶体只能在低温(液氮)下产生激光， 实用意义不大。

1985年，前苏联ANTIPENKO等人用铬(Cr³⁺)和铥(Tm³⁺)作为敏化离子，制 成Ho:Cr:Tm:YAG晶体。由于晶体中Cr³⁺吸收跃迁为电子自旋允许跃迁，为宽带强吸收， 能够大大增加对灯泵能量的吸收，以弥补Ho³⁺吸收灯泵能量差的不足，因而降低了泵浦 阈值，获得室温下闪光灯泵浦有效激光运转，实现了实际应用。

由于Ho:Cr:Tm:YAG晶体能在室温下获得闪光灯泵浦有效激光运转，因而目前实际 应用中Ho激光器基本上都是用它作工作介质。

Ho:Cr:Tm:YAG晶体的生长普遍采用熔体提拉法(Cz)，当然，其他熔体生长方法， 如坩埚下降法、温度梯度法等也可采用，但是由于提拉法能生长大尺寸高质量晶体，因 此普遍采用提拉法。

根据国内外资料报道，Ho:Cr:Tm:YAG晶体的掺杂离子浓度普遍为：Ho的浓度 0.3～0.5at％、Cr的浓度0.6～2.0at％、Tm的浓度4.0～6.5at％。。Ho:Cr:Tm:YAG晶体 的激光斜率效率2～3％，单棒输出功率15～20W。然而，Ho:Cr:Tm:YAG晶体在激光器 的使用中反映出一些明显的不足，例如，在通常的泵浦输入功率或能量条件下，得到的 激光输出功率或能量较低；在较高泵浦输入或者较高重复频率工作时，出现输出功率或 能量降低，光束质量变差，甚至产生晶体损伤或破坏等现象；为了得到大功率激光输出， 不得不采用双根晶体棒或者多根晶体棒联合输出的办法，如Coherent公司制造60W Ho 激光外科手术治疗仪，就得采用4支Cr:Tm:Ho:YAG晶体棒联合输出，每支棒输出15W， 使用很不方便。出现上述问题的主要原因是由于晶体的泵浦阈值较高、激光效率较低和 泵浦热效应比较严重。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种能够进一步提高Ho晶体对 闪光灯泵浦能量的吸收和利用率，并改进晶体光学质量和光学均匀性，减小泵浦热效应， 降低激光损耗，降低泵浦阈值和提高激光效率的掺钬、铬、铒、铥钇铝石榴石激光晶体。