[发明专利]一种钕离子掺杂氟化物激光晶体

说明书

技术领域

本发明属于人工晶体和激光材料领域，具体地涉及到一种新的激光晶体材料。

背景技术

激光科学技术经过半个世纪的发展，超强、超短脉冲激光是其发展前沿。超强、超短激光为人类开展科学研究提供了全新的实验手段与极端的物理条件，推动着物理、化学、生物、材料等多个自然基础科学向更深层次发展，以及信息科学技术的进步。当前，超强超短激光技术正在向新一代、全LD泵浦方式发展，所采用的激光介质主要是掺Nd玻璃和掺Yb晶体。

其中，Yb³⁺离子的4f¹³电子轨道与晶场耦合作用强，即使在单晶体中也能形成宽的吸收和发射光谱。但是，Yb³⁺离子的激光运转是典型的三能级系统，激光下能级因粒子热布居而形成高的激光阈值，激光输出性能具有强的温度依赖性。必须把激光介质冷却到低温(＜100K)，才能实现Yb³⁺离子的四能级激光运转。这就极大地增加了激光器结构的复杂性，特别是不利于小型化、便携式飞秒激光器的发展。

相对于Yb³⁺离子，Nd³⁺离子1.06μm激光运转室温下的能级结构为四能级系统，阈值低、激光稳定性和光束质量受温度影响小；而且，所需要的发射波长800-810nm的LD泵浦源价格便宜，且发射波长在800-810nm范围内可选，不需要通过温度控制实现与激光晶体的吸收带匹配。但是，Nd³⁺离子4f³电子轨道与晶场的耦合作用较弱，吸收和发射光谱相对较窄，必须掺杂于无序结构的玻璃介质中，通过非均匀加宽效应后，才能适用于超快激光输出。例如，意大利科学家Agnesi等采用Nd硅酸盐玻璃实现了LD泵浦的80fs超快激光输出。特别是，这一激光系统没有三能级系统的Yb超快激光器中必须采用的对LD泵浦源和激光介质进行温度控制的水冷设备。但是，玻璃介质差的热学性质将制约其实用化，特别是无法适用于高重频工作的超快激光运转，使得四能级系统的Nd离子与三能级系统的Yb离子在超快激光领域的竞争中处于劣势。

因此，探索在热导率高的晶体基质中实现Nd³⁺离子的宽光谱有望解决其在全LD泵浦超强超短激光领域的应用瓶颈。由于特殊的晶体结构，Nd³⁺离子掺杂的二价阴离子氟化物晶体(MeF₂，Me＝Ca，Sr，Ba，Cd，Pb等)往往具有宽带吸收和发射光谱，但是由于Nd³⁺在这类晶体中特别容易形成团簇结构，导致强烈的荧光猝灭效应而无法获得有实际意义的激光输出。本发明专利就是通过共掺一价态的阳离子，在获得近红外波段宽带发射光谱的同时，降低具有宽带发光谱的掺Nd氟化物晶体的荧光猝灭效应，提高其荧光寿命。

发明内容

Nd离子是激光材料中最常用的激活离子之一，可采用LD泵浦，其四能级结构具有低的激光阈值、高激光效率，等等。但是，Nd离子掺杂的激光晶体因为具有窄线宽的发射光谱而不能实现LD泵浦的飞秒激光输出。本发明即是在单晶体中实现Nd离子的宽带发射光谱，同时具有长的荧光寿命(ms量级)。

本发明提供一种钕离子掺杂氟化物激光晶体，在氟化物激光晶体-MeF₂中还掺杂有作为与所述钕离子Nd³⁺共掺的一价态阳离子M⁺。

本发明采用二价阴离子氟化物晶体MeF₂作为Nd³⁺的基质晶体。这类晶体具有类似于Nd玻璃的宽带发射光谱，但是Nd³⁺特别容易形成团簇结构，导致强烈的荧光猝灭效应而无法获得有实际意义的激光输出。本发明在Nd:MeF₂晶体中通过共掺一价态的阳离子M⁺，在保持其宽带发射光谱特性的前提下，降低Nd离子的荧光猝灭效应，提高荧光寿命。

本发明的氟化物激光晶体采用钕离子Nd³⁺和一价阳离子M⁺共掺，可以在晶格中形成一种新的格位结构[Nd³⁺-M⁺]对。这能够更加丰富体系的格位结构，促进光谱的进一步非均匀展宽。