[发明专利]一种复合石榴石化合物掺镱硅铝酸钇钙

说明书

技术领域

本发明属于光电子功能材料技术领域，特别是涉及作为激光和飞秒激光材料。

背景技术

飞秒激光是脉冲波在飞秒量级上的激光，它具备独特的超短脉冲、超强特性，能以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强，是当今激光前沿技术发展的重要方向之一。由于飞秒激光卓越的特性，飞秒激光器成为激光领域内重要的技术设备和激光光源，直接应用于精细加工和激光通讯，同时在医学、核物理、飞秒脉冲光谱学、超小型卫星研制以及超高速光通信等领域有着不可替代的地位。近年来，随着大功率激光二极管的迅速发展，全固态飞秒激光器的研制和生产成为高新技术产业的热点，飞秒激光材料作为其核心工作物质，因其独特的性能和重要的应用，已经成为整个激光技术领域发展的重点之一。

以钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)为代表的石榴石材料具有各向同性、高热导率、高光学质量、优异的机械强度和物化性能等特点，特别是在1微米附近激光输出方面受到人们的极大关注，经过近50年的研究和发展，镱掺杂的钇铝石榴石已经成为一种十分重要的激光材料和飞秒激光材料。日本科学家SadaoUemura等人采用克尔透镜锁模技术，以掺镱钇铝石榴石(Yb:Y₃Al₅O₁₂)晶体作为增益介质成功获得了脉宽为35fs输出功率为107mW的脉冲激光；中国科学家魏志义等人采用半导体可饱和吸收锁模技术，以掺镱钇铝石榴石透明陶瓷作为增益介质同样成功获得了脉宽为418fs输出功率为1.9W的脉冲激光。随着大功率激光二极管的发展，中高功率的飞秒激光在工业和科技领域占据越来越重要的角色，薄盘激光技术可以有效的解决激光媒介的散热问题，自其诞生和发展以来被认为是输出中高功率飞秒激光的重要激光技术。瑞士科学家J.AusderAu等人在2000年首次进行了薄盘锁模激光实验，以掺镱钇铝石榴石晶体作为增益介质获得了脉宽为730fs输出功率高达16.2W的脉冲激光，随后引起众多学者的关注以及更深入的研究，可获得的输出功率一直不断提高。2014年德国科学家W.Schneider等人成功将输出功率提高到100W以上，脉冲宽度为800fs。瑞士ClaraJ.Saraceno等人曾对近十几年的薄盘锁模激光技术进行了总结，掺镱钇铝石榴石是最早应用到该项激光技术上的材料，也是目前为止应用最为广泛的，薄盘锁模技术将传统锁模技术得到的W级功率成功提高到100W级，开创了中高功率飞秒激光的新篇章。然而，其获得的脉冲宽度却被限制在了700-800fs左右，究其根本原因在于掺镱钇铝石榴石在1030nm附近的发射峰太过尖锐，其半峰宽仅仅只有9nm。众所周知，越宽的发射谱带越有利于获得更短的脉冲激光，而对于掺镱钇铝石榴石来讲，尖锐的发射峰是它成为理想中高功率飞秒激光材料的致命缺陷。

无序结构，是指晶体中某些格位同时被多种原子占据，这种结构在长程范围内有序，属于晶体范畴，但部分格位点是无序的，与结构完全无序的玻璃有类似之处。当激活离子掺入具有无序结构的基质晶体中后，如果所替代原子的格位是无序的，则会出现多个发光中心并产生迭加效应，从而导致其吸收和发射谱带展宽。Ca₄YO(BO₃)₃、Ca₄GdO(BO₃)₃、CaGaAlO₄、CaYAlO₄和SrY₄(SiO₄)₃O等很多激光晶体都得益于这种无序结构而使得掺入激活离子后获得较宽的吸收和发射谱带。因此，将结构分析与光谱和激光性能相结合，针对掺镱钇铝石榴石通过设计和构造无序结构来展宽其掺Yb³⁺后的吸收和发射谱带，从而有望缩短以其作为增益介质所获得的激光脉宽。