[发明专利]一种共掺铬敏化离子的铥离子激活的钆镓石榴石新型激光晶体

说明书

技术领域

本发明涉及激光晶体材料领域。

背景技术

2μm激光位于水的吸收峰(1.93μm)附近，因此对组织的穿透深度浅，且对人体安全，另外可用光纤传输，因此成为医疗上一种很好的外科手术光源。另外，2μm波段固体激光器在遥感、环境保护和光通信等方面也有着重要的研究前景，是激光测距仪、相干多普勒测风雷达、水蒸气抛面差分吸收激光雷达系统等的理想光源。同时，它还是获得3～5μm和8～12μm波段光学参量振荡器的理想抽运源。因此从20世纪60年代开始，人们围绕如何提高2μm波段激光器的输出功率和效率，从材料到器件的多方位研究。除此之外，～2.0μm波段激光在工农业和国民经济建设上也有着广泛的应用前景，一旦研制成功，把所研究的晶体及其器件推向高新技术产业市场，将产生非常可观的经济效益；还可以用来远距离探测化学物质，在反化学战和环境保护中起到关键性的作用。

在掺杂Tm³⁺离子的激光晶体中，Tm³⁺离子³F₄→³H₆跃迁可产生1.8～2.1μm波段的激光。根据文献调研，已有多种离子掺杂的不同激光基质晶体上实现了该波段激光，例如Tm:YAG，Ho:YAG，Cr，Tm，Ho:YAG，Tm:YAP，Tm，Ho:YLF，Tm:YLF，Ho:YLF等。其中Eric，Honea报道用六个InAlGaAs激光二极管阵列(460W)作为泵浦源，采用特殊的激光腔设计，用Tm(2～4at％):YAG作为增益介质实现了2.01μm波长的115W连续输出，这是迄今Tm:YAG输出的最大功率。同时，Cr³⁺离子也可以有效地敏化Tm³⁺离子，可以采用氙灯光源泵浦来实现～2.0μm波段的激光输出，Zendzian报道灯泵Cr，Tm，Ho:YAG激光器平均输出功率为17W，斜率效率2％，这是目前灯泵Cr，Tm，Ho:YAG激光器最高的输出水平。

Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)属于立方晶系，晶胞参数为Z＝8，Dc＝7.083g/cm³。钆镓石榴石Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)是一种优秀的激光基质材料，作为激光基质材料，它具有以下许多优点：高的热导率(8Wm^-1K^-1)、低的热光效应、较低的声子能量、可以采用熔体提拉法生长大尺寸的晶体、具有良好的物化性能，不溶于强酸强碱，硬度高，激光损伤阈值高、对于稀土掺杂离子，在相应的泵浦波长处具有较大的吸收截面，并具有较大的发射截面、具有高的热容，因此可以应用于高功率热容激光器、具有较低的熔点，约为1725℃，(例如比YAG低200℃)。与YAG和YSGG晶体相比较，稀土激活的Gd₃Ga₅O₁₂晶体具有以下的一些优点：(1)采用提拉法生长的Nd:Gd₃Ga₅O₁₂晶体，容易实现平界面生长，不会产生由杂质、应力等引起的核心，整个横截面都可以有效利用，有利于获得大直径晶体元件。(2)它的热容比YAG和YSGG高，是目前唯一可以应用于高功率热容激光器的激光基质材料。(3)Gd₃Ga₅O₁₂的声子能量较低(约为500～600cm^-1)，这有利于减少激光晶体的无辐射跃迁几率，从而增加激光发射功率和效率，对于～3um波段激光具有高的量子效率；(4)GGG晶体的熔点较低(约为1725℃)，比YAG和YSGG约低200℃，有利于晶体的生长；(5)Gd的半径比Y离子大，容易进行稀土离子的掺杂，有利于生长高质量的晶体；(6)由于YSGG所用的Sc₂O₃价格较昂贵，成本较高，因此与YSGG相比较，GGG激光晶体的成本较低，并且热导率也比YSGG高。