[发明专利]稀土离子掺杂氟氯化铅激光基质晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子材料领域，涉及一种新型的激光基质晶体，具体涉及一种稀土离子掺杂氟氯化铅激光基质晶体及其制备方法。

背景技术

激光技术经过40余年的发展，短脉冲和超短脉冲化趋势是其前沿。飞秒激光具有超短脉冲、高重复频率、高峰值功率和宽光谱四大特性，推动着信息科学的进步和物理、化学、生物、材料科学的研究向更深层次发展，被广泛应用于科学研究和工业技术的多个领域（U. Keller, Nature, 2003, 424: 831.）。

20世纪90年代发展起来的钛宝石飞秒激光器是目前脉冲最短、使用最多的超快激光装置（例如参见US5,377043）。然而，钛宝石需要的532nm泵浦源具有体积大、电效率低、价格昂贵等缺点，限制了其作为商用飞秒激光器向便携式、低成本方向的发展。当前，LD可直接泵浦的稀土激光材料，成为人们开发新一代紧凑型、高效率、低成本飞秒激光器的关键。

上世纪90年代以来，美国LLNL、法国LULI、德国Stuttgart大学、日本大阪大学和HOYA公司等都纷纷开展掺稀土激光材料的研究，在掺Yb铝酸盐、矾酸盐、硼酸盐、钨酸盐等晶体中先后实现飞秒激光输出（Y. Zaouter, et al, Opt. Lett. 2006, 31:119）。而在国内：上海光机所、山东大学、物构所、安光所、硅酸盐所等也先后开展了相关研究。

对于激光基质晶体主要集中在氧化物基质方面，如Y₃Al₅O₁₂ (YAG), Ca₄YO(BO₃)₃（YCOB）, KGd(WO₄)₂（KGW），YAl₃(BO₃)₄ (YAB)等。例如US20020159495A1公开一种掺杂铥的YAG（Tm:YAG）作为激光基质；US2001010697A1公开一种掺杂三价稀土离子的YCOB作为激光基质，例如：Yb: Ca₄YO(BO₃)₃；又，US20030138012A一种掺杂镱的YAB作为激光基质。

与氧化物晶体相比：卤化物晶体具有非常宽的透射范围，可以从远紫外一直到中红外；而且卤化物晶体的折射率比较低，可以尽量减小使用光谱的表面反射率和限制高强度激光泵浦作用下的非线性效应。另外，氟化物具有低的吸收系数，相对色散大，损伤阈值高等优点。现有研究表明稀土掺杂的CaF₂，SrF₂，BaF₂，PbF₂等立方结构氟化物晶体成为了最有吸引力的宽带调谐、高功率、超短脉冲激光晶体材料系列之一。例如，2009年发现在Yb:CaF₂晶体中获得了99fs的飞秒激光输出（F. Friebel, et al. Opt. Lett. 2009, 34:1474）。此外，Yb:SrF₂、Yb:BaF₂、Yb:PbF₂晶体也已被证明是非常有潜力的高功率、超快激光晶体(J. L. Doualan, et al. Laser Phys. 2010, 20:533)。特别是，2008年德国Jena大学采用上海硅酸盐研究所光学晶体课题组提供的Yb:CaF₂晶体实现了脉宽为192fs、峰值功率为1TW的激光输出，被认为 “对激光聚变领域具有里程碑的意义”(M. Siebold, et al. Opt. Lett. 2008, 33:2770)。

然而立方结构氟化物晶体具有的高对称性、较弱的晶场强度不利于稀土离子形成大的Stark能级分裂。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人意识到，与CaF₂，PbF₂，SrF₂等氟化物的立方晶系结构不同，四方晶系的PbClF晶体（空间群：P4/nmm）作为掺杂基质可具有以下优点：

（1）利用氟氯化物晶体的低对称性，可实现稀土离子的强场耦合、基态能级大的晶场劈裂，降低激光阈值和激光输出性能的温度依赖性；