[发明专利]一种镝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

在可见波段激光器研究中，通过对相关晶体激光波长的倍频和混频技术已经获得了红绿蓝三基色激光输出，而在550nm到600nm黄光波段的相干辐射的研究并不多见，至今尚没有成熟的该波段固体相干光源。随着人们对黄色固体相干光源在生物医学、食品药品的检测、医疗美容、信息存储、通讯、军工、大气遥感等方面的广泛应用的重视，发展不同应用目的大功率或小功率、高效稳定和寿命较长的黄色固体相干光源迫在眉睫。

利用现有发光晶体和各种新颖激光技术是当前发展黄色激光器的主要途径。综合国内外研究技术方案主要有三种：一是倍频红外激光获得黄光；二是拉曼激光，包括把短波长直接位移到黄色波段(直接位移型)和红外波段再通过变频技术获得黄光(位移变频淹)；三是对单晶体的双波长激光输出再和频获得黄光。

根据文献调研，2008年古河机械金属与千叶大学工学系信息图像工学专业讲师尾松孝茂合作开发了高输出功率振荡的全固体黄色激光器。他们用半导体激光(波长810nm)泵浦KGd(WO₄)₂单晶体，获得波长1.18μm的拉曼激光，然后使拉曼激光通过非线形光学晶体转换为黄色激光(波长590nm)。在重复频率为2KHz的脉冲振荡下，平均输出功率为250mW，峰值功率达到25kW。《OpticsExpress》杂志2009年第2期发表了澳大利亚科学家的文章，他们在实验中首次获得黄色连续皮秒激光(559nm)。研究人员利用80MHz、532nm的激光泵浦固体拉曼激光器，工作物质为KGW晶体。通过调整谐振腔长度将输出脉冲从10ps(532nm)压缩至3.2ps(559nm)。最大输出功率时的斜率效率达到42％。研究人员进一步预测采用不同的拉曼材料和级联方法，固体拉曼激光器将会输出550-600nm波长的可见光。

我国在全固体黄色激光器的研究方面也取得一些进展。2003年，中国科学院物理研究所使用两个180W LD阵列、复合折叠腔结构和Nd:YAG晶体捧串接方法，经过KTP倍频获得了510mw的589nm黄光连续输出。2004~2006年，长春光学精密机械与物理研究所报道了利用LD抽运Nd:YAG或Nd:YVO4晶体，分别采用了线型腔和复合腔结构，在不同的非线性晶体中实现了双波长和频黄光的连续输出，输出功率最高达到520mW，光转换效率从1.4％提高到2.6％。

另外，Dy³⁺离子⁴F_9/2→⁶H_13/2跃迁可产生中心波长为580nm附近的黄色激光。据调研，已有Dy³⁺离子掺杂的不同激光基质晶体上探测到该波段荧光，例如Dy:NaGd(WO₄)₂，Dy:NaLa(WO₄)₂，Dy:YAl₃(BO₃)₄，Dy:YSGG，Dy:KGW，Dy:LiNbO₃，Dy:GdCOB等。如果采用包括氙灯在内的泵浦源直接对Dy离子掺杂的激光晶体进行泵浦，并实现黄色激光输出，那么将大大拓宽对该领域的科学认识和理解，并对工业产生非常有利的影响。

钆镓石榴石Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)晶体属于立方晶系，空间群Oh¹⁰-I_a3d，晶胞参数Z＝8。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：

1.高的热导率：8Wm^-1K^-1；

2.低的热光效应：

3.具有较低的声子能量；

4.可以采用熔体提拉法生长大尺寸的晶体；

5.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；

6.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；

7.具有高的热容，因此可以应用于高功率热容激光器；

8.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：