[发明专利]一种铬镨共掺的铒激活铝酸钆钙新型中波红外激光晶体

说明书

技术领域

本发明涉及激光晶体材料领域。

背景技术

中红外2.5μm～3μm波段激光涵盖了大气的主要光传输窗口，在自由空间光通信、遥感、机载红外定向干扰源、红外热像仪、激光雷达、遥感化学传感器、地形测量、空气污染控制、等领域具有重要应用。对于该波段激光，大气中的水蒸气和其他气体，包括CO、CO₂和N₂O等，存在强的振动吸收峰，故该波段也被称为大气“分子指纹”波段。因此，该波段激光可被广泛应用于探测低浓度的构成大气污染和温室气体效应的气体分子，在大气环境监测和反化学战中发挥重要作用；还可以用来监测人类的呼吸气体，开展医学诊断。此外，该波段激光在医学上的应用还包括组织切割与缝合、眼科学、神经外科等。

目前，该波段激光主要采用由激光晶体直接激射产生与采用光学参量振荡和差频等非线性光学方法获得。半导体激光也可能是一种简单和高性价比的光源，但是，除了少数情况，它们需要冷却且输出功率受限。而固体激光有望在高光束质量和窄线宽下输出很高的功率。利用近红外半导体激光泵浦，可以提供稳定、高效、紧凑且宽光谱覆盖和调谐范围的器件，而这是半导体激光难以做到的。因此，室温半导体激光泵浦固体激光的实用化，作为该波段的简单和紧凑的替代光源，对于遥感和痕量气体探测等应用具有重要意义。而且，要将激光应用于生物学、大气环境探测、激光测距及光电对抗等领域，不仅要求激光单频，而且还要求频率稳定，这也是半导体激光难以做到的。此外，某些激光晶体宽的增益带还将实现超短脉冲激光，这使得该波段激光可进一步应用于光学频率标准、光学相干断层扫描等领域。总之，随着固体激光的发展，将有益于中红外激光的众多应用领域。

与通过采用光学参量振荡和差频等非线性光学产生该波段激光的方法相比，由激光晶体直接激射产生该波段激光的方法在光束质量、稳定性和器件装置的简便化方面，具有一定的优势，而与该波段激光的产生和转换密切相关的增益的研究与发展决定了该波段激光器件的工作水平，是该波段激光器广泛应用的物质基础；因此，也是当今光电子材料领域的一个研究热点。同时，晶体的功能性质及应用与其晶体结构组成有密切关系。

由激光晶体直接激射产生高效中红外激光输出的主要受限的问题是：由于中红外激光光子的能量较低，与许多著名激光晶体的晶格振动频率即声子振动频率相当，这样导致了快速无辐射弛豫与激光发射的强烈竞争，因此，导致了激光的高被动损耗。为了克服这个问题，必须选择具有低声子振动频率的材料，要由激光晶体直接激射产生中红外激光，不仅要求激光基质的声子能量要小，声子能量越小，则无辐射弛豫几率也越小。同时，激光基质的光谱在2.5μm～3.0μm要高透，并且要具有高的抗光损伤阈值和良好的物化性能，而掺杂于增益介质中的激活离子则要有较大的发射截面(σ_em＞10^-21～10^-20cm²)。

目前，2.5μm～3μm波段激光是最急需又是最缺乏的激光光源之一，特别是～2.7μm波段的激光光源。由于水对于～2.7μm激光光源有很强的吸收(其吸收系数是水对～2.0μm激光光源吸收系数的200倍以上)，所以有关对于这一波段激光晶体及其器件的研究的难度很大，所以有关这方面的研究报道都比较少，水平也不高，特别是在国内，还未见到系统的研究。

另外，作为激活离子，稀土或过渡族离子激活的的激光晶体是可以产生2.5μm～3.0μm中红外激光的，Er³⁺、Ho³⁺等便是有效的激活离子。

其中Er³⁺离子具有丰富的能级，其相应的⁴I_11/2→⁴I_13/2跃迁可以产生2.5～3.0μm波段的激光。一般地，在晶场的作用下，各个主能级可以分裂出较多的子能级，相应地Er³⁺离子可以产生多个波长的荧光发射，一般地，Er³⁺激活的晶体在2.5～3.0μm波段的荧光发射光谱，存在着～2.6μm、2.7μm、2.8μm和2.9μm波长多个发射峰。当然，对于不同的激光基质材料，其晶场强度和相关的参数都有较大的区别，使得能级的分裂情况也有差异，导致各个发射峰的波长和相对的强弱发生变化。