[发明专利]一种共掺铬、镱敏化离子的钬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

2.6~3.1μm激光波段覆盖了水的吸收峰(2.7μm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，该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，它还是获得中远红外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2.6~3.1μm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，2.6~3.1μm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。

Ho³⁺离子⁵I₇→⁵I₈跃迁可产生2.6~3.1μm波段的激光。根据文献调研，已有Ho³⁺离子激活的激光晶体上实现了该波段荧光，例如Ho:YAG，Ho:YAP，Ho:YLF等。如果在Ho³⁺离子激活的激光晶体上共掺入Cr³⁺和Yb²⁺将大大增加泵浦源对光的吸收效率，从而有利于提高激光的输出功效。山东大学袁多荣报道采取灯泵方式在Cr，Yb，Ho:YSGG晶体上实现了2.84~3.05um波段可调谐激光输出，激光器最大输出功率约为30mJ，输出反射镜的反射率为60％，振荡波长为2.856，2.892，2.940和2.988微米。

钆镓石榴石Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)晶体属于立方晶系，空间群O_h¹⁰-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：

1.采用提拉法生长的GGG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.GGG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～2μm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。

Nd:GGG作为一种优秀的固体热容激光工作介质，近年来已经引起了国内外的广泛关注。目前，在国际上，向美国利夫莫尔国家实验室提供晶体的公司生长的晶体尺寸已经达到φ100～φ150mm^(1～4)，在2003年，美国实验室采用LD泵浦的Nd:GGG激光器激光输出的平均功率突破了10KW，在2004年则达到了30KW，2009年已经实现100KW。在国内，中科院安徽光学精密机械研究所等几个单位也投入了大量的人力物力进行研究，目前生长的晶体尺寸已经达到φ120mm，采用激光二极管阵列泵浦下，实现了重复频率为50Hz，平均功率高于3500瓦的激光输出。